GB∕T 39724-2020 铯原子钟技术要求及测试方法 GB∕T39724-2020 标准压缩包解压密码：www.bzxz.net

ICS17.080
CCSA57
中华人民共和国国家标准
GB/T39724—2020
原子钟技术要求及测试方法
Technical specifications and testing methods for cesium atomic clock2020-12-14发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2021-07-01实施
规范性引用文件
术语和定义
原子钟的分类和组成
艳原子钟产品的分类
艳原子钟产品的组成bZxz.net
技术要求
功能要求
性能要求
电气特性
通信功能要求
供电要求
外观要求
尺寸和质量要求
功耗要求
环境适应性
电磁兼容性·
可靠性和维修性要求
测试方法
测试环境条件
测试仪器
测试方法
检验规则·
检验规则说明
鉴定检验
出厂检验·
检验项目：
参考文献
GB/T39724—2020
GB/T39724—2020
本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中央军委装备发展部提出。本文件由全国北斗卫星导航标准化技术委员会（SAC/TC544)归口。本文件起草单位：北京大学、中国计量科学研究院、中国卫星导航工程中心、中国航天科技集团第五研究院五一〇所、成都天奥电子股份有限公司、中国航天科工集团第二研究院二〇三所本文件主要起草人：主延辉、张爱敏、焦文海、刘莹、王骥、赵否文、黄凯。用
1范围
原子钟技术要求及测试方法
GB/T39724—2020
本文件规定了铠原子钟（又称艳原子频率标准）产品的技术要求、测试方法和检验规则本文件适用于艳原子钟产品的研制、生产与验收。规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
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第23部分：随机振动试验方法
GB/T4857.23—2012
GB/T6587—2012电子测量仪器通用规范GB/T17626.3—2016电磁兼容试验和测量技术GB/T17626.4—2018电磁兼容
试验和测量技术
GB/T17626.6—2017电磁兼容试验和测量技术GB/T17626.12—2013
GB/T34094—2017
JJG4922009
术语和定义
射频电磁场辐射抗扰度试验
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验
射频场感应的传导骚扰抗扰度
振铃波抗扰度试验
电磁兼容：试验和测量技术
信息技术设备功耗测量方法
原子频率标准检定规程
下列术语和定义适用于本文件。3.1
magnetic sensitivity
磁场敏感度
设备在正常工作的磁场环境范围内，其输出特性随磁场变化的程度注：通常以单位高斯变化（每变化1Gs)引起设备信号输出特性(相对频率偏差)变化量来表示。3.2
Efrequencyrepeatability
频率复现性
频标工作一段时间关机后，下次再开机达到稳定后，频率值与上次关机时频率值的一致程度。注：用两次相对频差表示。
［来源：JJF1180—2007，3.38，有修改］3.3
frequency setting range
频率调整范围
通过频率调整指令所能实现的频率输出范围。3.4
频率调整分辨力
frequency setting resolution通过频率调整指令所能实现的频率调整的最小值GB/T39724—2020
频率稳定度frequency stability描述平均频率随机起伏的量
注：平均时间称为取样时间。不同的稳定度度量值对应不同的取样时间。来源：JJF11802007，3.23，有修改3.6
温度敏感度temperaturesensitivity设备在正常工作的温度范围内，其输出特性随温度变化的程度注：通常以单位温度变化（每变化1℃）引起设备信号输出特性（相对频率偏差）变化量来表示。3.7
relativefrequency offset
相对频率偏差
频率实际值与频率标称值之差
注：一般用相对值表示，如偏差fo
，。为标称值，f，为实际测得值。［来源：JJF1180—2007，3.20有修改］3.8
相位噪声phasenoise
单边带偏离信号载频处单位带宽（取1Hz)内功率与载频功率之比注：单位为dBc/Hz。偏离载频的偏离值称为傅里叶频率，一般取1Hz100kHz。［来源：JJF1180—2007，3.31，有修改］3.9
harmonic distortion
谐波失真
目标谐波的均方根值与信号电平均方根值的比值。4艳原子钟的分类和组成
4.1概述
艳原子钟是以艳原子束为频率参考的被动原子频率标准，其工作原理是利用微波场与原子相互作用产生鉴频信号，利用鉴频信号将微波频率锁定在原子基态的超精细能级上，从而实现基准频率信号的输出，输出信号与原子跃迁频率具有同等水平的相对频率偏差和长期稳定度特性。艳原子钟主要包括原子谐振器、微波频率单元和电路控制单元等组成部分，如图1。光学革元
艳原子谐振器
微被毅事绿介
微波频率单元
水控品体振器
电路控制单元
图1艳原子钟的基本结构
状态监控
4.2艳原子钟产品的分类
GB/T39724—2020
为了实现对微波作用后原子状态的检测，需要对原子束进行态制备。按原子态制备和检测方法的不同，原子钟可分为磁选态原子钟、光抽运艳原子钟和磁选态光检测原子钟三类。磁选态原子钟采用选态磁铁产生的非均匀磁场进行原子态制备，并采用热丝离化与电子倍增器放大技术检测原子态获得鉴频信号：光抽运原子钟采用激光抽运技术进行原子态制备、采用激光诱导荧光检测技术检测原子态；磁选态光检测艳原子钟采用选态磁铁产生的非均匀磁场进行原子态制备、采用激光诱导荧光检测技术检测原子态。
按照性能指标要求的不同，原子钟可分为标准型原子钟和高性能型原子钟两类4.3艳原子钟产品的组成
4.3.1艳原子谐振器
艳原子谐振器是艳原子钟的核心部分，主要用于在高真空的环境下产生准直的艳原子束。在艳原子谐振器中内置微波谐振腔，当原子束经过谐振腔时，原子束与微波场相互作用发生跃迁。艳原子谐振器还包含态检测装置，用于将原子束的状态转化为电信号。在磁选态原子钟中，应内置离化丝、电子倍增器等态检测装置；对于光抽运原子钟和磁选态光检测原子钟，应内置荧光检测装置。4.3.2微波频率单元
微波频率单元主要包括压控晶体振荡器和微波频率综合部分，微波频率综合部分将压控晶体振荡器的输出信号进行倍频和调制，产生微波激励信号馈人艳原子振荡器的微波谐振腔中。4.3.3电路控制单元
电路控制单元对艳原子谐振器输出的误差信号进行处理，并输出到微波频率单元，从而实现对压控晶体振荡器的闭环锁定
电路控制单元同时对原子钟的各部分工作状态进行监控，通过与上位机的通信输出艳原子钟的状态信息。
4.3.4光学单元
在光抽运艳原子钟中，光学单元输出两束激光分别对原子束进行态制备和态检测在磁选态光检测艳原子钟中，光学单元输出一束激光对原子束进行态检测5技术要求
功能要求
原子钟应具备以下功能：
信号输出，艳原子钟需能够输出10MHz正弦信号及1PPS脉冲信号.可输出5MHz正弦a）
信号：；
自动闭环锁定功能，艳原子钟在开机或断电重启的情况下能自动实现闭环锁定；b）
c）频率调整功能，艳原子钟应可以通过控制面板或者调整指令实现输出频率调整；d)
外同步功能，艳原子钟应具备通过外部1PPS信号进行频率信号同步的功能；e）
远程监控功能，铠原子钟应可以利用监控端口，通过产品对应指令实现远程监控功能；f）
故障检测功能，艳原子钟应具备故障自检、故障报警以及工作参数信息上传的功能3
GB/T39724—2020
性能要求
原子钟产品应满足如表1性能要求表1
艳原子钟产品性能指标要求
相对频率偏差
频率调整范围
频率调整分辨力
频率复现性
10MHz、5MHz正弦信号幅度
谐波失真（10MHz5MHz）
非谐波失真（10MHz、5MHz）
1PPS信号幅度
1PPS信号宽度
1PPS信号上升时间
1PPS信号抖动
1PPS信号同步误差
1PPS信号相位一致性
温度敏感度
(18℃~28℃)
磁场敏感度（0~2Gs）
锁定时间
标准型
优于±1E-12
指标要求
优于±1E-11
≤1E-15
≤2E-13
高性能型
优于士5E-13
13dBm±1dBm（阻抗50Q)
-40 dBe
≤-80dBc
高电平电压V.满足2.4V≤V≤5.0V低电平电压V满足0.0V≤Vi≤0.7V（阻抗50Q）
20s±1s
≤1nsRMS
优于±50ns
标准型
≤1E-13/℃
2E-13/Gs
相对频率偏差优于土1E-12指一1E-12至1E-12范围内的相对频率偏差满足指标要求。相对频率偏差优于士5E-13指一5E-13至5E-13范围内的相对频率偏差满足指标要求。频率调整范围优于士1E-11指频率正向、负向调整范围应大于1E-11。高性能型
≤5E-14/℃
输出10MHz信号应满足如表2的频率稳定度要求和表3的单边带相位噪声要求。表2
取样时间
艳原子钟产品频率稳定度指标要求标准型
≤1.2E-11
≤8.5E-12
≤2.7E-12
≤8.5E-13
高性能型
≤5.0E-12
≤3.5E-12
≤8.5E-13
≤2.7E-13
取样时间
10000 s
傅里叶频率于
100kHz
电气特性
表2（续）
标准型
≤2.7E-13
≤8.5E-14
≤5.0E-14
艳原子钟产品相位噪声指标要求t(f)
GB/T39724—2020
高性能型
≤8.5E-14
≤2.7E-14
≤1.0E-14
≤-100dBc/Hz
—130dBc/Hz
≤-145dBc/Hz
-150dBc/Hz
≤-154dBc/Hz
≤-154dBc/Hz
艳原子钟产品应满足如表4的电气特性要求表4
电气性能
频率信号输出
秒脉冲信号输出（1PPS）
1PPS同步信号输人
通信功能要求
通信接口与功能要求
原子钟产品电气特性要求
N型母头（50Q）
BNC母头（50Q）
BNC母头（50Q）
原子钟应具备RS-232C异步串口通信功能，包括编号设置、频率微调、输出频率选择、1PPS同步、1PPS输出相位调整、1PPS输出宽度调整及监控状态查询功能。5.4.2
通信速率与字节顿结构
波特率采用115200；字节顿结构为1个起始位\0”，8个数据位，1位停止位\1”，无奇偶校验位；低位在前，高位在后。如表5。
GB/T39724—2020
波特率
115200
5.4.3数据顿格式说明
表5RS-232C异步串口通信速度和字节顿结构起始位
数据位
校验位
停止位
完整的一顿数据由顿头、设备编号、命令编号、数据长度、数据内容、检验和顿尾组成，具体要求见图2。
设务编号命令编号
0010001100100100
00001ia0a00
图2艳原子钟与上位机通信顿格式以下对各字节内容进行具体说明：帧头：顿头在每个数据顿的开始部分，由二个字节组成，固定为0x23，0x24。a
设备编号：由一个字节组成，范围为0～255。艳原子钟接收到的设备编号与艳原子钟的设备b）
编号一致时，该命令顿有效。编号为255时，仅更改原子钟的设备编号和查询铠原子钟的设备编号时有效，
命令编号：用于选取命令，长度为1字节。长度：用于表征传输数据内容的长度N，以字节为单位：根据不同的命令编号，数据长度不同。d)
数据：一顿命令中需要传输的真实数据。真实数据采用大端格式进行传输，即高字节在前，低字节在后。根据不同的命令编号，数据内容不同。f）
校验：由一个字节组成，检验值为数据内容进行异或操作的结果。g)
顿尾：由二个字节组成，固定为0x21，0x20。供电要求
原子钟应满足以下供电要求：
电压额定值：220V，允许范围：额定值士10%；b)
频率额定值：50Hz.允许范围：额定值十2%电源连接器为单相两极带接地插头，符合GB/T1002—2008的规定。5.6外观要求
前面板应标明原子钟的名称、型号，应配备指示灯以显示整机工作状态。后面板应具有频率信号和1PPS信号输出接口、1PPS同步信号输入接口和接地端子等。5.7尺寸和质量要求
原子钟的尺寸和质量应满足以下要求：a）尺寸：整机高度≤4U；
b）质量：≤40kg。
注：4U高度为17.78cm。
5.8功耗要求
艳原子钟应满足以下功耗要求：a）峰值功耗：≤150W；
b）平均功耗：≤110W。
环境适应性
艳原子钟产品应满足以下环境适应性要求：a）储存温度范围，满足一20℃～50℃范围内储存的条件；b）工作温度范围，满足18℃～28℃范围内正常工作；GB/T39724—2020
c）运输，可满足航空、公路及铁路运输要求，通过按GB/T4857.23一2012要求的振动试验。电磁兼容性
产品应满足以下电磁兼容性要求：10kHz~10MHz电源线传导发射特性，应满足GB4824—2019的要求；a）
10kHz~400MHz电缆束注传导敏感度，应满足GB/T17626.6—2017的要求；b)
电缆束注人脉冲激励传导敏感度，应满足GB/T17626.4一2018的要求10kHz～100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感，应满足GB/T17626.12—2013的d）
要求；
10kHz~18GHz电场辐射发射，应满足GB4824—2019的要求；10kHz～40GHz电场辐射敏感度，应满足GB/T17626.3一2016的要求。可靠性和维修性要求
艳原子钟应满足以下可靠性和维修性要求：平均故障间隔时间（MTBF)≥20000h；a）
寿命要求，标准型原子钟寿命≥8年，高性能型原子钟寿命≥5年；c)
平均故障修复时间（MTTR)≤48h。6
测试方法
测试环境条件
除另有规定外，测试应在下列条件下进行：a)
温度：18℃~28℃.测试期间温度最大允许变化士1℃；相对湿度：10%~60%；
气压：30kPa~300kPa
环境磁场：≤2Gs；
电源：电压220（110%）V.频率50（1±2%）Hz；测试所用仪器、仪表、设备应经过检定或校准，满足测量要求并在有效期内6.2测试仪器
6.2.1参考频标
用于原子钟指标测试的参考频标应满足以下要求7
GB/T39724—2020
输出频率包括5MHz、10MHz；
频率稳定度优于被测艳原子钟同样取样时间频率稳定度的1/3；b）
相对频率偏差比被测艳原子钟优于一个量级；c）
相位噪声比被测艳原子钟相应频偏处的相位噪声小10dB。d）
参考频标可以选用一个或多个。6.2.2频标比对器
用于原子钟指标测试的频标比对器应满足以下要求：a）输人频率，支持5MHz和10MHz；b）比对不确定度优于被测艳原子钟相同取样时间频率稳定度的1/3。6.2.3相位噪声测量装置
用于原子钟指标测试的相位噪声测量装置应满足以下要求：输入频率，支持5MHz和10MHz；
傅里叶频率范围，可达1Hz～100kHz；b）
相位噪声本底，比被测原子钟在相应傅里叶频率点的相位噪声小10dB。c
6.2.4频谱分析仪
用于原子钟指标测试的频谱分析仪应满足以下要求：频率范围覆盖1MHz~50MHz;
动态范围：≥100dB。
6.2.5示波器
用于原子钟指标测试的示波器应满足以下要求：a）带宽：≥1GHz；
b）采样率：≥3GHz。
6.2.6时间间隔计数器
用于原子钟指标测试的时间间隔计数器应满足以下要求：a）时间间隔范围在1ns～1s；
最大允许误差为士1ns；
触发电平在（0～5）V范围内连续可调，并能指示电平值：c)
d）具备外接频标功能。
秒脉冲(1PPS)发生器
用于原子钟指标测试的秒脉冲发生器应满足以下要求：a)
脉冲幅度≥2.4V.满足TTL电平要求（阻抗50Q)；脉冲宽度：≥100ns；
脉冲上升时间：<5ns；
d）具备外接频标功能
6.2.8高低温试验箱
用于测试艳原子钟的温度敏感度、储运温度范围、工作温度范围等指标或特性的高低温试验箱应满足以下要求：
a）高低温试验箱的设定温度范围覆盖20℃～十50℃，温度偏差土2℃；b）
高低温试验箱内部温度梯度≤2℃；c
高低温试验箱的温度波动度≤1℃；d）升降温速率低于1℃/min。
6.2.9三维亥姆霍兹线圈
用于测试艳原子钟的磁场敏感度指标的三维亥姆霍兹线圈应满足以下要求：a）有效工作区域不小于0.8m；
b）：每个方向磁场强度不小于2Gs。6.3测试方法
6.3.1功能测试
信号输出
被测的原郎
5 MHz 或10 >Hz
图3信号输出测试示意图
示波器
GB/T39724—2020
信号输出测试方法示意图见图3。被测原子钟的输出信号接入示波器，示波器的输人阻抗选为502.直接测量铠原子钟的频率信号和秒脉冲信号，示波器上检测到的信号应为设定的10MHz或5MHz和1PPS信号。
6.3.1.2自动闭环锁定
被测原子钟开机后60min内闭环锁定，通过面板或产品对应指令读取闭环锁定状态信息6.3.1.3
频率调整
利用调试接口通过指令进行频率调整，并按JJG492—2009中6.2.2.7规定的方法对频率调整功能进行验证。
6.3.1.4外同步
按JJG492—2009中6.2.2.10规定的方法进行测试。6.3.1.5远程监控
被测原子钟通过RS-232C异步串口与上位机连接，发送产品对应指令，观察产品运行状态，实现远程监控功能
6.3.1.6故障检测
被测原子钟可通过面板或者产品对应指令，读取故障自检信息、故障报警信息以及工作参数上传的功能。
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