navbar.frm 20180310
ATTENTIE. . VAKANTIE ONDERHOUD . . Bijeenkomst op 20 september 2018 . . Elke zondag 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde .
W

De rubidiumfrequentiestandaard

Samenvatting

REcord 145 GHz verbinding

In een ARRL-bulletin van 2003 werd melding gemaakt van een CW verbinding op 145 GHz met 4 mW vermogen, die amateurs in USA maakten over 62 km. De lokatie was hoog in de bergen: vrij zicht maar sterk wisselende temperaturen en ver van huis, dus zonder lichtnet, airconditioning, etc. Om in dergelijke omstandigheden de frequenties van beide transceivers redelijk gelijk te houden is het gebruik van een kristal gestuurde oscillator niet meer mogelijk.

Op 145 GHz heeft men maar weinig zendvermogen beschikbaar, terwijl de ontvangers een hoog ruisgetal hebben. Dit resulteert in een zeer lage signaal/ruisverhouding. Men moet dan werken met smalband modes als CW om een verbinding te kunnen maken. Maar dat vereist zeer goede stabiliteit en frequentie nauwkeurigheid.(Een zie vergelijkend overzicht is beschikbaar op deze website.)

De minimum eis aan de frequentie is dan 1 Hz per GHz ofwel 1.10-9. Een TCXO met 2.10-8 per °C is dus niet bruikbaar. Zelfs een, met behulp van DCF77 gestabiliseerde, kristal oscillator haalt op zijn best 1.10-9.

Een trillend kristal dankt zijn eigenschappen aan een groot aantal nauw met elkaar verbonden atomen die vast zitten in een kristalrooster. Mechanische slijtage, wrijving en temperatuurvariaties veroorzaken daardoor variatie in de frequentie. Beter is het om alleen gebruik te maken van de eigenschappen van een geisoleerd atoom.
Dan komen we op het gebied van de atoom standaard. De stabiliteit wordt bepaald door atoomconstanten, die erg stabiel zijn en naukeurig bekend. De Cesiumstandaard is echter te complex en te duur voor amateur gebruik, maar met Rubidium gestabiliseerde kristaloscillatoren worden reeds op de markt aangeboden voor 400 euro. Zo'n oscillator haalt een stabiliteit van 4.10-11 over een temperatuurbereik van 0 tot 50 graden C.

Rubidium is een kwik-achtig alkalimetaal, dat reeds vloeibaar wordt bij 40 graden C. Het zit in de zelfde groep als Lithium, Natrium, Kalium en Cesium. Het moet niet verward worden met robijn, dat een variant is van aluminiumoxide. Rubidium atomen in gasvormige fase zenden licht uit als ze worden geactiveerd. In een sterk verdund gas staan de atomen zo ver van elkaar dat ze elkaar niet meer beinvloeden. Rondom de positieve kern draaien electronen in een beperkt aantal door atoomwetten bepaalde banen. Bij iedere baan hoort een energienivo. Om een electron een baantje te laten verspringen is een vaste, daarbij behorende, energieverschil nodig. Volgens quantumtheorie kan dat met een electromagnetisch golf van een bepaalde frequentie. Energie en frequentie zijn gerelateerd door de formule E = h x freq. Daarbij is h een natuurkonstante, de konstante van Planck en gelijk aan 6,6 x 10-34 Joule/Hz.

Een rubidium gestabiliseerde oscillator bevat een gasontadingslamp waarin rubidium zit. Die zendt een dunne bundel rood licht uit op twee frequenties die precies 6.834682613 GHz van elkaar liggen. Dat licht gaat door een tweede buis waarin een filter een van beide roodlicht lijnen er uit filtert. De lichtstraal, waarin nu slechts een rode spectraallijn zit, gaat via twee kleine gaatjes door een trilholte heen en treft een fotodiode. De fotodiode zal dus een electrische spanning afgeven als er licht op komt.
In de trilholte bevindt zich echter rubidium damp. Die damp zal de lichtstraal absorberen en in alle richtingen weer heruitzenden, want het energienivo van het Er komt dan maar heel weinig licht door het gaatje op de fotodiode terecht. Maar, om de trilholte zit een magneetspoel. De om hun eigen as draaiende electronen produceren ook een klein magneetveld en dus ondervinden ze een kracht van het externe veld. Daardoor wordt het energienivo van de electronenbanen verschoven. Het licht wordt daardoor niet meer in de trilholte geabsorbeerd en de fotodiode zal dan een maximum signaal afgeven. Maar, we brengen in de trilholte een signaal aan met een frequentie van precies 6.8 GHz en daardoor voegen we precies de juiste energie toe om het inkomende licht weer te absorberen. De fotodiode geeft minimum output.

Een rubidiumoscillator bevat een kristaloscollator die via een synthesizer een signaal van 6.8 GHz opwekt. De oscillator wordt via een regellus bijgestuurd, zodanig dat het fotodiode signaal minimum output geeft. Het 6.8 GHz signaal is daardoor exact gelijk aan het verschil van de twee rode spectraallijnen van het rubidiumatoom. Een daarmee is de frequentie van het kristal gelocked aan de 6.8 GHz van het rubidiumatoom.
Het geheel bevat daarnaast nog een heel pakket aan electronica, onder andere om het magneetveld op te wekken en bij te sturen. Ook de rubidium standaard vertoont veroudering, ook dat wordt grootendeels intern gecorrigeerd. Al met al een pakketje ter groote van een pakje boter, wat toch nog zo'n 60 watt aan energie vraagt.

Rubidium gestabiliseerde oscillatoren worden gebruikt in communicatie system die gebruik maken van frequentie hopping. Daarbij wordt de uitzend frequentie tot enkele honderden keren per seconde veranderd, volgens een pseudo random patroon.
Van groot belang is daarbij dat de frequenties van zender en ontvanger op elk moment gelijk zijn. Ook is het belangrijk om over de exacte tijd te beschikken om de pseudo random generator in de ontvanger gelijk te laten lopen met die van de zender.
De rubidiumoscillator zorgt daarbij voor zowel een juiste frequentie als een nauwkeurige klok. Meer daarover in een volgende afevering.

Pieter J. T. Bruinsma, PA0PHB

 Meer informatie

'>
(PA0PHB)