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倍频信号相位差的皮秒级精度测量

张杨 林平卫 茹宁 马彦宁

张杨,林平卫,茹宁,等. 倍频信号相位差的皮秒级精度测量[J]. 计量科学与技术,2024, 68(6): 11-17 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0072
引用本文: 张杨,林平卫,茹宁,等. 倍频信号相位差的皮秒级精度测量[J]. 计量科学与技术,2024, 68(6): 11-17 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0072
ZHANG Yang, LIN Pingwei, RU Ning, MA Yanning. Picosecond-level Precision Measurement of Phase Difference Between Frequency-Multiplied Signals[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(6): 11-17. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0072
Citation: ZHANG Yang, LIN Pingwei, RU Ning, MA Yanning. Picosecond-level Precision Measurement of Phase Difference Between Frequency-Multiplied Signals[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(6): 11-17. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0072

倍频信号相位差的皮秒级精度测量

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0072
基金项目: 国家重点研究开发计划(2021YFF0603701);中央级科研院所基础研究基金重点项目(AKYZD2011-2)。
详细信息
    作者简介:

    张杨(1998-),北京邮电大学在读研究生,研究方向:光纤高精度时间频率传递及组网技术,邮箱:976963684@qq.com

    通讯作者:

    林平卫(1966-),中国计量科学研究院研究员,研究方向:光纤高精度时间频率传递及组网技术、小型原子钟等,邮箱:linpw@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB973

Picosecond-level Precision Measurement of Phase Difference Between Frequency-Multiplied Signals

  • 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。
  • 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-multiplied signals

    图  2  倍频信号相位漂移量测量电路

    Figure  2.  Phase drift measurement circuit for frequency-multiplied 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  5  放大器对信号相位影响

    Figure  5.  The impact of amplifier on signal phase

    图  6  滤波器对信号相位影响

    Figure  6.  The impact of filter on signal phase

    图  7  衰减器对信号相位影响

    Figure  7.  The impact of attenuator on signal phase

    图  4  功分器对信号相位影响

    Figure  4.  The impact of power divider on signal phase

    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  9  两混频器输出信号相对相位漂移量

    Figure  9.  Phase drift between the output signals of two mixers

    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-multiplying 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-multiplying 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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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-07
  • 录用日期:  2024-03-25
  • 修回日期:  2024-03-27
  • 网络出版日期:  2024-04-18

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