ما هو المذبذب المحلي Local Oscillator

تتطلب مراجع التردد الذري السلبي عنصرين آخرين هُما مذبذب محلي “LO” لتوليد الإشارة الدورية الأولية التي يتم قفلها على الذرات، وكذلك بعض إلكترونيات التحكم لتنفيذ أنظمة المؤازرة المختلفة اللازمة لتشغيل الساعة.

ما هو المذبذب المحلي Local Oscillator؟

المذبذب المحلي “Local Oscillator”: هو مذبذب إلكتروني يستخدم لتوليد إشارة عادة لغرض تحويل إشارة مهمة إلى تردد مختلف باستخدام خلاط، وعملية تحويل التردد هذه والتي يشار إليها أيضاً باسم التغاير تنتج ترددات المجموع والفرق لتردد المذبذب المحلي وتردد إشارة الإدخال ذات الأهمية، وهذه هي ترددات الإيقاع.

عادةً ما يتعلق تردد النبض بالنطاق الجانبي السفلي وهو الفرق بين تردد المذبذب المحلي وتردد إشارة الإدخال، كما تُستعمل المذبذبات المحلية في جهاز الاستقبال المتغاير الفائق وهو النوع الأكثر استخداماً من دارات مستقبل الراديو، كما أنّها تُستخدم في العديد من دوائر الاتصالات الأخرى مثل أجهزة المودم وأجهزة استقبال التلفاز الكابلي، وأنظمة تعدد الإرسال بتقسيم التردد المستخدمة في خطوط الهاتف الرئيسية وكذلك أنظمة ترحيل الميكروويف وأنظمة القياس عن بُعد والساعات الذرية والتلسكوبات الراديوية وأنظمة التدابير الإلكترونية العسكرية المضادة.

كما يرتبط عمل نظام معالجة الإشارات على ميزات المذبذب المحلي، حيث يجب أن يستمر المذبذب المحلي ثابتاً في التردد، كما يجب أن ينتج طاقة ناتج كافية لدفع المراحل اللاحقة بشكل فعال مثل الخلاطات أو مضاعفات التردد، وكما يجب أن يتوفر لديها ضوضاء منخفضة المرحلة، حيث يكون توقيت الإشارة حاسماً، أمّا في نظام استقبال قنوات يجب أن تكون دقة موالفة مُركب التردد متوافقة مع تباعد القنوات للإشارات المرغوبة.

كما تتطلب مستقبلات النطاق العريض مذبذبات محلية كلما تم استخدام التغاير في معماريات المستقبل لتحويل إشارة التردد إلى طيف التردد المتوسط ​​”IF” لسهولة معالجة الإشارة، كما يتم استخدام محولات التردد في مستقبلات الميكروويف وتنطوي على اعتراض واستغلال الإشارة عبر “2 جيجاهرتز” إلى “18 جيجاهرتز”، كما تم التصميم والأداء المقاس لوحدة توليف محلية تعتمد على مذبذب “COTS” من “3 جيجاهرتز” إلى “7 جيجاهرتز” و”8 جيجاهرتز” إلى “18 جيجاهرتز”، والتي تعرض ضوضاء طور منخفضة ومستويات زائفة منخفضة وتحويل سريع.

• “IF” هي اختصار لـ “Intermediate Frequency”.

• “LO” هي اختصار لـ “Local Oscillator”.

أساسيات المذبذب المحلي Local Oscillator:

في معيار التردد الذري المنفعل لا تولد الذرات نفسها إشارة دورية مستقرة، وبدلاً من ذلك تقوم إشارة دورية غير مستقرة نسبياً من مصدر خارجي بتوجيه الذرات، والتي تتغير استجابتها كوظيفة لتردد “LO” من خلال مراقبة الاستجابة الذرية، وعن طريق قياس امتصاص الضوء من خلال خلية البخار، فعلى سبيل المثال من الممكن تحديد كيفية مقارنة تردد “LO” بتردد الرنين الذري وما إذا كان ينبغي زيادة أو تقليل تردد “LO” لتقريبه لتردد الذرة.

في معظم معايير التردد التجارية والمختبرية يعتمد “LO” على مذبذب بلوري كوارتز، كما يتم مضاعفة تردد بلورة الكوارتز عادة في نطاق “5 ميجاهرتز” إلى “10 ميجاهرتز”، وبالقرب من تردد الرنين الذري أي عدة جيجاهيرتز باستخدام جهاز إلكتروني غير خطي، مثل الصمام الثنائي للاسترداد التدريجي أو المركب الرقمي المباشر “DDS”، كما تم تصميم سلسلة التوليف هذه أيضاً لتمكين تعديل التردد لإشارة ناتج التردد اللاسلكي.

تم تصميم الساعات الذرية الدقيقة المصممة لحجم صغير واستهلاك منخفض للطاقة، كما من المحتمل أنّ تصميمات المذبذب المحلية التقليدية القائمة على مذبذبات بلورات الكوارتز، كما ستكون كبيرة جداً ومحتاجه للطاقة لتطبيقها على الساعات الذرية الدقيقة.

ونتيجةً لذلك يجري البحث حالياً لتطوير مذبذبات محلية صغيرة منخفضة الطاقة تعتمد على مجموعة متنوعة من تقنيات الرنان عالية التردد، مثل رنانات الأغشية الرقيقة “TFRs” والمرنانات الدقيقة المحورية والرنان الميكانيكي النانوي.

• “TFRs” هي اختصار لـ “Transfer Restricted Signal”.

• “DDS” هي اختصار لـ “Direct Digital Composite”.

إلكترونيات التحكم في المذبذب المحلي Local Oscillator:

من أجل التحكم في المعلومات الفيزيائية لحزمة الفيزياء، وكذلك تنفيذ تصحيح المذبذب المحلي بالنسبة للانتقال الذري يلزم وجود بعض إلكترونيات التحكم، وهي:

أولاً: الطول الموجي لليزر:

لكي يتمكن الليزر من إثارة الرنين الذري يجب ضبط الليزر على انتقال بصري مناسب في الطيف الذري كما يعتمد الطول الموجي لمعظم أنواع الليزر شبه الموصلة على درجة حرارة الليزر وتيار الحقن، ونظراً لأنّ الطول الموجي للضوء المنبعث من الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي “VCSELs” حساس للغاية لتيار الحقن، كما يتم استخدام هذه المعلمة للتحكم في الطول الموجي لليزر.

يقوم نظام التحكم بتنفيذ ذلك من خلال مراقبة امتصاص الضوء من خلال خلية البخار الذري وقفل الطول الموجي لليزر إلى ذروة ملف الامتصاص باستخدام كشف حساس للطور، حيث من خلال تعديل تيار حقن الليزر وبالتالي الطول الموجي لليزر بتردد حوالي “100 كيلو هرتز”، وبعد ذلك إزالة تشكيل الطاقة الضوئية المكتشفة بعد مرور الضوء عبر الخلية ويمكن تحقيق القفل.

• “VCSELs” هي اختصار لـ “Vertical cavity surface-emitting lasers”.

ثانياً: التحكم في درجة حرارة الليزر:

هذا ضروري لضمان أنّ الطول الموجي لليزر يمكن تثبيته في الانتقال البصري في الذرات دون الإخلال بالطاقة الضوئية المنبعثة من الجهاز، ونظراً لأنّ الطول الموجي لليزر يعتمد على درجة حرارته بالإضافة إلى تيار الحقن، فسيتم تعويض التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة في الطول الموجي عن طريق تصحيح تيار الحقن والذي له تأثير جانبي لتغيير الطاقة الضوئية المنبعثة من الليزر.

ونظراً لأنّ التغييرات في الطاقة الضوئية تسبب عدم استقرار في تردد ناتج الساعة المرتبط بتحويل إزاحة الضوء “AC Stark”، كما يجب أن تكون الطاقة الضوئية مستقرة قدر الإمكان، ولتحقيق ذلك يتم مراقبة درجة حرارة الليزر مباشرة وتثبيتها بواسطة سخان موضعي.

ثالثاً: التحكم في درجة حرارة الخلية:

يعتمد تردد الرنين الذري على درجة حرارة الخلية التي تحتوي على الذرات، وذلك لأنّ اصطدامات الذرات القلوية، والتي تحدد تردد الساعة مع ذرات الغاز العازلة تتسبب في حدوث تحول في تردد رنين الذرات القلوية، كما يعتمد هذا التحول على درجة الحرارة لأنّ خصائص الاصطدامات من السرعة والطاقة وما إلى ذلك تفعل ذلك أيضاً.

كما تُستخدم مجموعات من الغازات العازلة لتقليل معامل درجة حرارة الخلية ولكن حتى مع هذا التعويض يلزم تثبيت درجة حرارة الخلية عند مستوى “100 مللي كلفن”؛ لتحقيق عدم استقرار تردد جزئي على مدار الساعة على المدى الطويل أقل من 10-11.

رابعاً: التحكم في التردد “LO”:

يقوم نظام التحكم هذا بتنفيذ إشارة التصحيح الأساسية التي تعمل على استقرار المذبذب المحلي في الانتقال الذري، وعادةً يتم تعديل تردد “LO” بتردد فورييه من عدة مئات من هرتز إلى عدة كيلوهرتز، كما يتم ضبط “LO” على صدى “CPT”، ويتم إزالة تشكيل الطاقة الضوئية المرسلة عبر الخلية لتوليد إشارة خطأ تتناسب مع الاختلاف في التردد بين “LO” والرنين الذري، وتُستخدم إشارة الخطأ هذه لتصحيح تردد “LO”.

• “CPT” هي اختصار لـ “Current Procedural Terminology”.