Китай энергоэффективные атомные часы с чиповой шкалой cpt производители

Когда говорят про энергоэффективные атомные часы, все сразу вспоминают лабораторные установки размером со шкаф, но ведь уже лет пять как появились чиповые версии. Многие до сих пор путают CPT-технологию с обычными цезиевыми стандартами, хотя разница в потреблении энергии достигает двух порядков. Мы в свое время на стенде в Шанхае показывали прототип, который работал от пальчиковой батарейки три месяца — половина клиентов не верила, пока не разобрали схему.

Почему CPT-шкала стала переломным моментом

В 2019 году мы тестировали первые образцы от производители атомных часов из Чэнду. Помню, тогда еще плата грелась до 60 градусов, и стабильность плавала на уровне 1e-10. Главной проблемой была как раз энергоэффективность — для мобильных применений не годилось абсолютно. Сейчас пересматриваю те отчеты и понимаю, что мы недооценили потенциал коэрцитивного поля в СРТ-резонансе.

Кстати, именно ООО Чэнду Хэнюй Чуансян Технология тогда одними из первых предложили кастомные чипы с подстройкой частоты через температурную компенсацию. На их сайте cdhycx.ru до сих пор висит та самая схема с вакуумной ячейкой рубидия — для 2020 года это было революционно, хотя сейчас такие решения уже банальны.

Что действительно изменилось — так это технология напыления резонансных покрытий. Раньше мы теряли до 30% сигнала на паразитных отражениях, а в новых модулях от тех же китайских коллег удалось добиться 92% пропускания. Мелочь? А вот для автономных метеостанций в Арктике это означало экономию 3 Вт/час.

Практические сложности при интеграции

В прошлом году пытались встроить атомные часы с чиповой шкалой в систему синхронизации для базовых станций 5G. Заказчик требовал стабильность 1e-11 при температуре от -40 до +85. Теоретически CPT-чипы давали такие параметры, но на практике начались фазовые шумы при переключении нагрузок.

Пришлось совместно с инженерами из Чэнду переделывать схему подавления гармоник — оказалось, что китайские коллеки уже сталкивались с этой проблемой в своих частотно-временных модулях. Их решение с двойной ФАПЧ хоть и увеличивало энергопотребление на 8%, но давало нужную стабильность.

Кстати, их оборудование для систем измерения времени как раз учитывает такие нюансы — в документации к их модулям есть целый раздел про электромагнитную совместимость с силовыми преобразователями. Мало кто обращает на это внимание, пока не столкнется с паразитной модуляцией на частоте 157 Гц.

Кейс с морской навигацией

В 2022 году мы поставляли CPT производители комплекты для спутниковых ретрансляторов. Там главной задачей была не столько точность, сколько устойчивость к вибрациям. Стандартные атомные часы с термостабилизацией выходили из строя через 200 часов работы в условиях качки.

Решение нашли в гибридной схеме: CPT-чип как основной источник, но с кварцевым осциллятором в режиме горячего резерва. Интересно, что именно ООО Чэнду Хэнюй Чуансян Технология предложили кастомную версию своего частотно-временного модуля с возможностью калибровки по спутниковому сигналу в фоновом режиме.

На их сайте cdhycx.ru есть технические note про этот проект — правда, там не упоминается, что первоначально мы потеряли два месяца из-за неправильного подбора демпфирующих материалов. Оказалось, стандартный силиконовый герметик создает микронапряжения в подложке чипа.

Экономика энергоэффективности

Сейчас многие заказчики требуют снижения энергопотребления ниже 5 Вт, но мало кто понимает, что для атомные часы с чиповой шкалой это означает компромисс в долговременной стабильности. Мы обычно показываем график из отчета NIST 2021 года, где четко виден провал на отметке 3.8 Вт для рубидиевых стандартов.

У китайских производителей здесь интересный подход — они используют импульсный режим подогрева ячейки. Да, это добавляет фазовый шум, но для большинства приложений типа сетей IoT это некритично. Кстати, на последней выставке в Шэньчжэне ООО Чэнду Хэнюй Чуансян Технология показывали прототип с потреблением 2.3 Вт — правда, ценой увеличения времени выхода на режим до 15 минут.

В их новом оборудовании для определения стандарта частоты как раз реализован адаптивный алгоритм прогрева — система анализирует историю температур и предсказывает необходимую мощность. Для стационарных применений может и избыточно, но для дрейфующих буев в океане — идеально.

Перспективы миниатюризации

Сейчас главный тренд — это дальнейшее уменьшение размеров. Но здесь есть подводный камень: при переходе на чипы меньше 10×10 мм резко растет влияние поверхностных зарядов. Мы в прошлом месяце получили партию экспериментальных образцов от производители атомных часов из того же Чэнду — там инженеры попытались использовать кремниевые волноводы вместо оптических.

Результаты неоднозначные: с одной стороны, удалось снизить энергопотребление до 1.8 Вт, с другой — долговременная стабильность не лучше 5e-11. Для коммерческих применений пока рано, но для носимой электроники уже интересно.

Кстати, на cdhycx.ru в разделе частотно-временных модулей для измерения частоты уже появились позиции с пометкой 'компактные' — это как раз те самые разработки. Правда, техническая документация пока сыровата, видно, что продукт еще в стадии обкатки.

Что действительно впечатляет — так это прогресс в области материалов резонансных ячеек. Те же китайские коллеги научились наносить рубидиевые покрытия с вариацией толщины менее 5 нм — это дает более стабильный СРТ-резонанс даже при колебаниях температуры. Думаю, через год мы увидим серийные образцы с характеристиками, которые сейчас кажутся фантастикой.