Китай высокостабильные рубидиевые атомные часы с чиповой шкалой заводы

Когда говорят о китайских рубидиевых атомных часах, многие сразу представляют громоздкие лабораторные установки, но современные высокостабильные рубидиевые атомные часы с чиповой шкалой — это уже совсем другая история. На практике мы в ООО Чэнду Хэнюй Чуансян Технология часто сталкиваемся с тем, что заказчики недооценивают сложность миниатюризации таких систем.

Эволюция архитектуры чиповой шкалы

Если брать наши последние разработки, то главный прорыв — это переход на планарные резонаторы вместо объёмных. Помню, как в 2022 году мы столкнулись с аномальным дрейфом частоты в партии прототипов. Оказалось, проблема была в термокомпенсации материалов подложки — пришлось полностью пересчитывать тепловые режимы.

Сейчас мы используем керамические подложки с коэффициентом теплового расширения менее 0.5 ppm/°C, но и это не идеал. При температурных скачках выше 85°C всё равно наблюдаются микроскопические деформации креплений чиповой шкалы. На сайте https://www.cdhycx.ru мы как раз недавно выложили технические заметки по этому вопросу.

Интересно, что военные заказчики часто требуют устойчивости к вибрациям до 15g, тогда как для телекоммуникационных систем достаточно 5g. Это заставляет по-разному проектировать системы крепления чипов — иногда приходится жертвовать 0.1% стабильности ради механической прочности.

Производственные вызовы на заводах

На нашем производстве в Чэнду дольше всего отлаживали вакуумную герметизацию рубидиевых ячеек. Стандартные методы давали утечку порядка 10^-9 мбар·л/с, а нужно было добиться 10^-11. Пришлось разработать многоступенчатую систему лазерной сварки в среде аргона.

Калибровка частоты — отдельная головная боль. Раньше на каждый экземпляр уходило до 6 часов, сейчас автоматизированная линия делает это за 45 минут. Но до сих пор около 3% продукции не проходят контроль по фазовому шуму — видимо, есть скрытые дефекты в напылении резонаторов.

Особенно сложно с рубидиевыми атомными часами малой мощности. Мы как-то пробовали делать версию с потреблением 8Вт вместо стандартных 15Вт, но стабильность упала с 5e-12 до 2e-11 за сутки. Для многих применений это неприемлемо, хотя для мобильных станций связи вариант оказался востребованным.

Практические применения и ограничения

В системах синхронизации базовых станций 5G наши модули показывают себя лучше европейских аналогов при температуре от -40°C до +65°C. Но есть нюанс: при работе в плотных городских застройках иногда сказывается влияние многолучевого распространения сигнала на точность синхронизации.

Для навигационных систем пришлось разрабатывать специальную версию с подавлением вибрационных помех. Оказалось, что микровибрации от систем охлаждения могут вносить до 0.3 нс джиттера, что критично для спутниковой навигации.

Последний проект для финансового сектора показал, что даже наши лучшие атомные часы с чиповой шкалой требуют дополнительной температурной стабилизации в серверных стойках. Перепады потоков воздуха создают микрофлуктуации до 0.1°C, что даёт накопленную ошибку 15 мкс за месяц.

Сравнение с зарубежными аналогами

Если брать Microsemi или Oscilloquartz, то их решения до сих пор выигрывают в стабильности долговременного хранения частоты. Но наши последние модели на чиповой шкале уже приближаются к показателю 1e-14 за 100000 секунд, что всего в 1.5 раза хуже лучших западных образцов.

Главное преимущество китайских производителей — гибкость кастомизации. Мы можем изменить форму фактора под конкретный проект за 3-4 недели, тогда как европейские компании часто требуют 3-4 месяца на такие доработки.

Интересный кейс: для арктических станций мы сделали версию с подогревом чиповой шкалы до +30°C при внешней температуре -55°C. Потребление при этом выросло всего на 25%, а стабильность сохранилась на уровне 3e-12.

Перспективы развития технологии

Сейчас экспериментируем с квантовыми точками в чиповых шкалах — теоретически это может дать прирост стабильности на порядок. Но пока не удаётся решить проблему деградации материалов при длительной работе.

В ООО Чэнду Хэнюй Чуансян Технология также тестируем гибридные системы с оптическими ловушками. Пока это лабораторные образцы, но через 2-3 года возможно появление коммерческих моделей.

Самое перспективное направление — интеграция с квантовыми сенсорами. Уже есть прототипы, где атомные часы заводы используются для калибровки магнитометров с разрешением до 0.1 нТл.

Кстати, на https://www.cdhycx.ru мы постепенно выкладываем данные по долгосрочным испытаниям — уже накопилась статистика за 26000 часов непрерывной работы 40 экземпляров. Пока деградация частоты не превышает 0.02% у 92% образцов.