簡介
铷鐘又被稱為铷原子鐘， 铷原子鐘由铷量子部分和壓控晶體振蕩器組成。壓控晶體振蕩器的頻率經過倍頻和頻率合成，送到量子系統與铷原子躍遷頻率進行比較。誤差信号送回到壓控晶體振蕩器，對其頻率進行調節使其鎖定在铷原子特有的能級躍遷所對應的頻率上。铷原子頻标短期穩定度最高可達10-12量級，準确度為±5×10-11。
铷頻率标準不需要真空系統、緻偏磁鐵和原子束，因而體積小、質量小、預熱時間短、價格便宜，但準确度差、頻率漂移比較大，僅能用作二級标準。铷頻率标準可通過GPS進行快速馴服和外秒同步，克服铷振蕩器本身的漂移，可被看作是一個基本的同步時鐘單元。通過設計和工藝的改進，産品的可靠性和批量生産也得到保證，現已具備産業化的條件。可以預計，這種帶外秒馴服的高性能小型化铷鐘将應用于無人值守等苛刻環境，将大大拓展铷鐘的應用領域。
基本原理
铷原子鐘主要由單片機電路、伺服電路、微波倍頻電路、頻率調制、倍頻綜合電路幾個模塊組成。铷頻标是一種被動型原子頻率，利用的是基态超精細能級之間的躍遷，相應的躍遷頻率為6834.682614MHz。原子遷躍對微波信号起鑒頻作用而産生誤差信号，通過鎖相環路伺服晶振的頻率，使激勵信号頻率鎖定到原子躍遷頻率，實現晶振輸出頻率的高度穩定和準确。
铷鐘的基本工作原理與铯鐘相似，均利用能級躍遷的諧振頻率作為基準。原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這裡電磁能量是不連續的。當原子從一個高“能量态”躍遷至低的“能量态”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是固定的，這也就是人們所說的共振頻率。通過以這種共振頻率為節拍器，原子鐘可以來測定時間。铷鐘利用光抽運的辦法進行原子選态，諧振的檢測則是利用光檢測器（光電池）去測量經諧振腔的抽運光（激勵原子躍遷）的傳遞衰減來完成。當微波頻率在躍遷概率的峰值時，傳遞的光波大概降低1%～10%。铷鐘的體積小，預熱時間短，長期的老化率為2×10-10/年，如果為改進性能參數而加大體積，則與铯鐘同樣大小的铷鐘也會具有幾乎與铯鐘一樣的性能。
主要技術指标
高性能铷鐘主要用于國防軍工産業，主要突出性能指标及産品可靠性方面的要求，同時還應具備易于操作、功能完善、通用性強等特點。其主要功能與性能的參數如下：
頻率穩定度
頻率穩定度是頻率偏差的起伏程度，實際上是一種可以用随機過程（平穩的或不平穩的）來研究和處理的問題。頻率穩定度在時域上的數學表征是阿倫标準偏差。
月頻率漂移率
原子頻标連續工作時，頻率随時間單方向慢變化程度，用最小二乘法估計。通過GPS鎖定，可改變铷原子鐘的漂移。铷原子鐘的月漂移為：1×10-11～4×10-11 。
頻率重現性
頻率重現性指铷頻标開機一段時間後關機，關機一段時間後，再開機一段時間後的相對平均頻率偏差和關機時的相對平均頻率偏差的一緻程度。一般為：1×10-11～5×10-11 。
頻率準确度
頻率準确度指頻率偏差的最大範圍，表明頻率實際值靠近标稱值的程度。用數值定量表示，不帶正負号，一般為：5×10-11～5×10-12
選購注意事項
铷原子頻率标準的選擇要求權衡不同需要折中考慮。首先确定的是穩定度、準确度、漂移率等主要性能指标，其次需要考慮铷鐘的應用環境，最後考慮可靠性、體積、質量、價格以及功耗等因素。
●穩定度
穩定度包括短期穩定度和長期穩定度，指标一般為5×10-11~1×10-12（取樣時間為1s）、1×10-11~1×10-12 （取樣時間為1d）。根據對穩定度的要求選擇長穩好還是短穩好的铷原子頻率标準。
● 漂移率
頻率漂移率是铷原子頻标的重要指标之一，通常認為光頻移是導緻整機頻率漂移的主要因素，一般在零光強頻移泡溫點，光強頻移貢獻約為1×10-12/1%，燈光強日漂移一般可達千分之一至萬分之幾，铷原子頻率标準的月漂移率應在4×10-11-5×10-12 範圍内。
●價格
選購铷原子鐘需要考慮産品的價格範圍，铷原子鐘的價格取決于許多因素，包括穩定度、漂移率、準确度等。一般情況下，相同指标的铷原子鐘，國産比進口産品價格便宜。
特點
鐘具有短期穩定性高，體積小巧，便于攜帶，價格合适的特點，非常适合于在各個領域使用，但由于铷原子的原子特性的原因，铷鐘并不具有铯鐘和氫鐘那樣優秀的長期穩定度，因而需要校準。為了提高铷鐘的長期穩定度，可以通過使用GPS系統來對铷鐘進行控制和校準。
GPS系統通過測量時間差來實現定位測量，為了達到較高的定位精度，GPS系統内部時間測量精度極高。通過使用GPS系統來對铷鐘進行校正，可以很好的提高铷鐘的長期穩定度，降低铷鐘輸出信号的飄移。
應用領域
铷鐘的應用領域主要有三個方面：科研測量，生産制造，廣電電力。
在科研測量研究單位，铷鐘既可以為測量提供高精度的基準源，也可以作為測量校準儀器的高精度外部時基。
在生産制造領域，铷鐘可為需要高精度頻率基準輸出的生産線提供頻率基準輸出，這些基準信号被用來對電子産品進行校準。铷鐘還可以作為産線測量儀器的外部高精度時基，大大提高産線測試的精度，确保産品質量。
在廣電電力系統中，铷鐘可以被作為系統的主鐘來使用，從而有效地實現系統内部各個部分的同步。
中國發展
（2019-08-07）記者6日從中國航天科工集團二院203所獲悉，由該所研制、被形容為“卡片铷鐘”的超薄铷原子鐘，日前已實現批量化生産。
據悉，卡片铷鐘自2018年首款産品研制成功以來，由于具有指标高、可靠性好、體積小等特點，受到廣泛好評。目前該産品已收到十幾家單位的訂單。
卡片铷鐘最大的特點就是體積小，可以直接嵌入在插卡式的電路闆上，在機箱中插拔更加方便。産品采用了抗振設計，在運輸過程中可以保證正常鎖定。同時其具有耐高溫特點，在70攝氏度的高溫下也能正常工作。此外，該産品還具有馴服功能選件，僅需用戶提供1PPS秒信号，它就能自動識别并進行馴服，以提高本地頻率的準确度，具備一定守時能力。據相關負責人介紹，該産品可應用于航空、航天、電信等各個行業，市場前景廣闊。
203所是目前國内唯一同時具備铷鐘、铯鐘、氫鐘研制能力的單位，已為北鬥全球導航系統提供了大量高性能星載铷原子鐘和氫原子鐘。（吳巍 楊同敏 記者付毅飛）
