Generacja i stabilizacja częstotliwości. Wybrane zagadnienia

Stabilizacja częstotliwości
za pomocą rezonatorów kwarcowych

W obu monografiach Profesora Groszkowskiego zagadnienie stabilizacji częstotliwości generatorów drgań elektrycznych z wykorzystaniem rezonatorów kwarcowych opisane jest szczegółowo. Należy przypomnieć, że już w latach przedwojennych w Państwowym Instytucie Telekomunikacyjnym rozwinięto technikę wytwarzania rezonatorów kwarcowych. Historię przedwojennego rozwoju tej dziedziny w Polsce opisał profesor W. Soluch [5]. Między innymi praca ta przypomina, że we wrześniu 1935 roku radiostacja Polskiego Radia w Wilnie otrzymała generator kwarcowy o częstotliwości 357,333 kHz wykonany przez PIT. Pomiary wykonywane przez UIR w Brukseli z dokładnością 1 Hz wykazały, że stacja wileńska miała w owym czasie najlepszą stałość częstotliwości spośród stacji radiofonicznych w Europie. Profesor Soluch wspomina również kontakty osobiste Profesorów Groszkowskiego i lssaca Kogi. Profesor Koga był znanym specjalistą od piezoelektroniki. Kontakty obu Profesorów zostały szerzej opisane w formie wywiadu, jaki przeprowadziłem z Profesorem Groszkowskim i zamieszczone w księdze poświęconej życiu i osiągnięciom Profesora Kogi wydanej w Japonii w języku japońskim (wywiad w języku angielskim) [6]. Należy z zadowoleniem podkreślić, że badania i wdrożenia w zakresie piezo-elektroniki były z wielkim powodzeniem kontynuowane w okresie powojennym do dnia dzisiejszego włącznie, początkowo w PIT, a następnie w ITR. Zakład Piezoelektroniki ITR aktualnie kierowany przez dr. inż. Marka Wójcickiego zatrudnia 27 osób, w tym mgr inż. B. Gniewińską, dr. A. Masiukiewicza, mgr. inż. A. Czarneckiego, mgr. inż. A. Lisowca. Zakład ustawicznie udoskonala swe wyroby. Aktualnie produkowane są wysokostabilne rezonatory kwarcowe SC (Stress Compensated) o częstotliwościach 5 i 10 MHz, a dla celów systemów telekomunikacyjnych o częstotliwościach 4,096 oraz 8,192 MHz (2¹² × 1000 oraz 2¹³ × 1000). Wysokostabilne wzorce wtórne z tymi rezonatorami są dostarczane dla Telekomunikacji Polskiej S.A. i dla innych odbiorców. Wykazują one efekt starzenia mniejszy od 10-11 na dobę oraz mają małe szumy fazowe. Przez wiele lat od roku 1964–1984 Krajowa Służba Częstotliwości Wzorcowej oparta była na emisji Warszawskiej Radiostacji Centralnej, której fala nośna o częstotliwości 227 kHz była stabilizowana wzorcami kwarcowymi wykonanymi pod moim kierunkiem przy współpracy z dr. inż. Jackiem Jarkowskim w Instytucie Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej. Zastosowano wysokostabilne rezonatory kwarcowe cięcia AT o częstotliwości 227 kHz × 11 = 2497 kHz dostarczone przez ITR. Wzorce te stały się nieprzydatne przy zmianie częstotliwościz 227 kHz na 225 kHz wymuszonej nową siatką wprowadzoną w Europie. Dobrą wizytówką polskich osiągnięć w dziedzinie piezoelektroniki są organizowane regularnie konferencje naukowe Piezo. Ostatnia dziewiąta konferencja Piezo ’96 odbyła się w dniach 2–4 października 1996 w Waplewie [7]. Wielkim wydarzeniem była również zorganizowana przez ITR oraz sponsorowana przez KBN i Ministerstwo Gospodarki międzynarodowa konferencja „12th European Frequency and Time Forum”, Pałac Kultury i Nauki 10 marca1998, której kosponsorem była Międzynarodowa Naukowa Unia Radiowa URSI.

Opierając się na silnym zapleczu naukowym rozwinął się w Polsce przemysł produkujący wyroby piezoelektroniczne. Opis tego przemysłu wykracza jednak poza ramy mojego artykułu.

W okresie okupacji rezonatory polskiej produkcji wytwarzane w podziemiu były, równolegle do otrzymywanych od aliantów drogą zrzutów, szeroko stosowane w radiostacjach służby łączności AK. Mogę to zaświadczyć osobiście, gdyż w latach 1942–44 prowadziłem magazyn zaopatrujący okręg warszawski AK w rezonatory kwarcowe.

W miarę rozwoju techniki i technologii, w tym szczególnie mikroelektroniki, zastosowania rezonatorów kwarcowych ustawicznie rosną i produkuje się je w setkach milionów rocznie. Zauważmy, że znakomita większość atomowych wzorców częstotliwości stosuje generatory kwarcowe automatycznie dostrajane do częstotliwości linii rezonansowej atomowej. W urządzeniach takich stosuje się rezonatory kwarcowe najwyższej jakości o bardzo wysokiej dobroci i bardzo małym efekcie starzenia pobudzane niskoszumnymi układami generacyjnymi. Konkludując, zainicjowane w PIT przez Profesora Groszkowskiego i Jego współpracowników badania w dziedzinie piezoelektroniki owocują do dnia dzisiejszego wysoką pozycją polskiej nauki i techniki w tej dziedzinie. Można się spodziewać dalszych osiągnięć w tej dziedzinie w przyszłości.

Szumy własne
generatorów i wzorców częstotliwości

Problem wpływu szumów na układy generacyjne, a w szczególności na precyzyjne generatory kwarcowe oraz generatory kwantowe pełniące rolę wzorców częstotliwości pojawił się w literaturze światowej po roku 1960. Nic więc dziwnego, że w obu wymienionych monografiach Profesora problem szumów własnych generatorów oraz pojęcia tak zwanej stabilności krótkoterminowej generatorów drgań elektrycznych jest pominięty. Jednak to Profesor Groszkowski wspólnie z Profesorem S. Ryżko zwrócili się do mnie, aby stosowny referat wygłosić w maju 1964 roku na posiedzeniu Komitetu Elektroniki i Telekomunikacji PAN [8]. Dzisiaj żałuję, że tekst mojego referatu przygotowany w kilkudziesięciu egzemplarzach techniką powielacza spirytusowego nie został następnie opublikowany w stosownym czasopiśmie, gdyż zawierał oryginalne ujęcie zagadnienia. W szczególności do opisu własności fluktuacji fazy wprowadzono metody opisu sygnałów losowych, między innymi znormowaną funkcję korelacji składowej fluktuacyjnej częstotliwości chwilowej. Przypomnijmy, że widmo gęstości mocy fluktuacji fazy jest transformatą Fouriera funkcji korelacji. Ponadto opisano metodę wyznaczania wariancji fazy chwilowej (częstotliwości chwilowej) metodą trzech generatorów. Metoda ta polega na pomiarze wariancji szumów fazowych wedle wzorów:

które są słuszne w założeniu, że składowe szumu fazowego φ_A(t), φ_B(t) oraz φ_C(t) są statystycznie niezależne. Ponieważ dysponujemy trzema równaniami z trzema niewiadomymi, możemy obliczyć wartości σ_A, σ_B oraz σ_C. Po wielu latach te same wzory spotkałem w pracach innych autorów. Aktualnie najbardziej rozpowszechnioną metodą określania stabilności krótkoterminowej generatorów wzorcowych jest pomiar tak zwanej wariancji Allana [9] lub też widma gęstości mocy wstęg bocznych szumowych przebiegu harmonicznego.