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Picosecond Level Research on Phase Difference Measurement between Signals of Multiple Frequencies
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摘要: 为满足现代科学对于高精度时刻信号的需求，使用正弦波相位信息作为时刻信号测量的精细标记，有望将时刻信号同步误差精确至皮秒量级。与正弦波信号相位无漂移的倍频信号可以被用作表征正弦波信号一个周期内的精细相位信息，对倍频信号间相位漂移量的皮秒级精度测量是校准倍频信号与基频正弦波信号间的相位漂移量的前提。目前尚无一种仪器能对倍频信号间相位差进行皮秒级精度测量，创新性地设计了一种针对倍频信号相位差的皮秒级精度测量电路；并通过分析电路中使用的功分器、放大器、混频器、滤波器、衰减器对信号相位的影响，测量电路自身对待测值影响不超过3 ps且测量结果的秒稳定度在E-13量级，证明测量电路的精度及稳定度均满足皮秒级高精度测量的需求。为更进一步校准信号间相位漂移，精确表征正弦波相位信息从而为实现高精度时刻信号同步创造了条件。Abstract: To meet the demand for high-precision timing signals in modern science, this paper proposes using the phase information of sine waves as a fine marker for timing signal measurement, which is expected to accurately synchronize timing signal errors to the picosecond level. The non-drifting multiplication signal of sine wave phase can be used to characterize the fine phase information within one cycle of a sine wave signal. The prerequisite for measuring the picosecond-level phase drift between different frequency signals is the calibration of the phase drift between the multiplication signal and the sine wave signal. Currently, there is no instrument that can measure the phase difference between different frequency signals with picosecond-level accuracy. This paper innovatively designs a picosecond-level accuracy measurement circuit for the phase difference of different frequency signals. It analyzes the influence of power dividers, amplifiers, mixers, filters, and attenuators used in the circuit on the signal phase. The circuit itself causes a time difference of no more than 3 ps for the measured phase difference, and the stability of the measurement results is in the range of E-13, proving that the accuracy and stability of the measurement circuit meet the requirements of picosecond-level high-precision measurement. This creates conditions for further calibrating the phase drift between signals and accurately characterizing the phase information of sine waves to achieve high-precision timing signal synchronization.
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Key words:
- metrology /
- high-precision measurement /
- Phase calibration /
- frequency multiplier /
- uncertainty
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图 1 基于倍频信号的时频同传系统
Figure 1. Time-frequency co-transmission system based on frequency-doubled signals
图 2 倍频信号相位漂移量测量电路
Figure 2. Phase drift measurement circuit for frequency-doubled signals
图 3 待测器件对信号相位漂移影响测量电路
Figure 3. Measurement circuit for assessing the impact of signal phase drift on the device under test
图 8 混频器对信号相位漂移影响测量电路
Figure 8. Measurement circuit for assessing the impact of signal phase drift on the mixer
图 10 多器件叠加对信号相位漂移影响测量电路
Figure 10. Measurement circuit for the impact of multi device superposition on signal phase drift
图 11 多器件叠加电路对信号相位漂移影响
Figure 11. The Impact of Multi Device Stacking Circuit on Signal Phase Drift
图 12 方案一倍频电路室温25小时秒时差图
Figure 12. The 25-hour phase difference at room temperature for Scheme One’s frequency-doubling circuit
图 13 方案二倍频电路室温25小时秒时差图
Figure 13. The 25-hour phase difference at room temperature for Scheme Two’s frequency-doubling circuit
图 14 方案一、二倍频电路室温下25小时频率稳定度监测情况
Figure 14. Monitoring the 25-hour frequency stability at room temperature for frequency-doubling circuits in Schemes One and Two
表 1 待测器件信号相位漂移影响表
Table 1. signal phase drift effects for the device under test
名称 秒时差变化量/ps 漂移量/ps 秒频率稳定度 功分器 1.49 $ \dfrac{{2.98{\text{π }}}}{{10000}} $ 3.90E-13 放大器 6.85 $ \dfrac{{13.7{\text{π }}}}{{10000}} $ 2.37E-13 滤波器 6.37 $ \dfrac{{12.73{\text{π }}}}{{10000}} $ 3.35E-13 衰减器 1.59 $ \dfrac{{3.18{\text{π }}}}{{10000}} $ 1.70E-13 混频器 0.19 $ \dfrac{{0.38{\text{π }}}}{{10000}} $ 2.69E-13 
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