DARPA的研究人员设计的原子钟的尺寸仅仅只有1立方厘米，可以直接安装在电路板上。它的计时非常**，可以帮助作战**快速重捕卫星导航信号，同时也可以提高跳频电台的发送频率以增加通讯带宽。
一种尺寸只有食糖颗粒大小的微小装置将会给传感器和**通讯技术带来巨大的变革，它就是微型原子钟。微型原子钟的主要功能是为跳频电台同步通讯频率和接收导航卫星的下行信号，它的原型已经处于测试阶段，测试结果决定了它是否可以立即应用到**领域。
DARPA(国防项目**研究室)的微型原子钟项目旨在设计一种小型化低功耗的原子授时和频率校对装置。在**性要求非常高的特高频率通讯系统和无阻塞GPS接收机、GPS传感器，GPS制导武器中，这种原子钟将发挥关键作用。
考虑到微型原子钟必须能够在军方大量使用的掌上通讯终端和其它一些小型设备上安装使用，DARPA位于弗吉尼亚的阿灵顿实验室的研究人员运用了先进的纳米技术和微型机械制造工艺，他们设计的微型原子钟只有1厘米见方。
微型原子钟的定时极其**，这对现代**通讯设备来说至关重要。DARPA微型原子钟项目的经理艾米特劳强调指出：“对于大多数的现代无线电通讯设备而言，都是将信息分割为较小的数据包加以发送的”。假设一个步兵排中有许多人同时在进行通讯，那么为了使这些通讯设备共享同一个发送频率，就必须给他们分配不同的发送时间段。只要确保相邻的发送时段之间留有足够的隔离时段，这些在同一个频率发送的数据包就不会彼此重叠和干扰。这种分时发送的特点确保了就算设备在没有完全同步的情况下，仍然可以进行通讯。DARPA的微型原子钟为每一台通讯终端设备提供的授时服务的精度非常之高，可以大大降低隔离时段的长度，使得数据发送速率提高一倍。艾米特劳说：“无线电通讯需要同步网络中各个终端通讯设备，而终端设备的计时精度越高，网络同步所需要的时间也就越短。”
微型原子钟的另一个应用领域是无阻塞导航。GPS卫星导航系统一直存在着一个问题，即当出现遮挡或其它情况时，GPS导航设备的信息收发会受到干扰或发生阻塞。现在的导航设备需要同时接驳4颗导航卫星才能进行**的定位。如果由于阻塞或干扰的原因，只能接驳1颗或2颗卫星，那导航设备将和GPS信号失去同步，无法进行定位。举个例子说，当我们的突击队员进入了一幢大楼，他们接收不到GPS信号，如果当他们出来时遭到敌人攻击，立即请求炮兵的火力支援，那炮兵指挥官就只能翻地图计算突击队员的位置了。
但是如果他们的GPS接收机安装了DARPA的微型原子钟，由于原子钟的极高精度，就算进入大楼后失去GPS信号长达数小时，他们的GPS接收机仍然可以和GPS信号保持时钟同步。这种**的计时能力使得当突击队员走出大楼时，他们的GPS接收机几乎能够瞬间再次接收到GPS信号。艾米特劳补充说：“微型原子钟在未来还有一个潜在的用途——为只接驳了1到2颗导航卫星的战斗机提供导航定位支持”。
微型原子钟同样可以支持精度很高的高速GPS时钟频率。艾米特劳说：“**GPS系统的信号识别采用的是非常长的伪随机编码方式。这些编码防止民用GPS接收机解析**密码和定位信息。但是缺点在于，**GPS设备解析这些冗长的编码需要花费2分钟。如果有DARPA的微型原子钟，那解码时间就可以骤减到数秒甚至数毫秒”.
微型原子钟同样适用于手持低功耗通讯设备和个人导航仪。艾米特劳指出，一般的商用原子钟的功率大约是5瓦到10瓦。另外一方面，尺寸因素也很重要。现在能买到的*小的原子钟体积约为200立方厘米，但是高性能原子钟的体积要大得多，达到300立方厘米甚至更大，而且平均功率高达10瓦。相比之下，DARPA的微型原子钟体积降低了200倍，仅有1立方厘米，同时功率也降低到了30毫瓦。
尺寸的锐减得利于垂直空腔平面激光发射器的应用，而一般的商用原子钟在制造时则是使用的自然光源，原子钟的物理学基础是体积为1立方毫秒的气囊，气囊中含有诸如铷和铯的碱金属原子。激光器利用5毫瓦的功耗将这些金属原子加热到90摄氏度，然后测量受激原子的共振运动。艾米特劳说：“普通的商用原子钟需要3到4倍的能耗将金属原子加热到相同的温度”。
原子钟计时的原理是依靠数共振体的“滴答声”。在机械钟表内，共振体就是钟摆，钟摆的摆动频率是一秒一次。计时器的计时精度，取决于共振体能够在多大程度上**的保持在同一个频率振动。原子钟利用原子频率作为共振体，当原子团发生共振时，每个原子的振动频率高度一致，这种稳定的“滴答声”提供了高精度的计时所需。
DARPA的微型原子钟不会产生多余的热量影响周围的电路，如此理想的热衰减效果的取得是由于使用了细长的“绳子”将原子钟从周围的电子系统中隔离了开来。“绳子”非常的细，横截面只有5*5微米见方，比人的头发丝还要细20倍。微型原子钟由“绳子”连接到芯片上，由于“绳子”太细，所以原子钟工作时产生的热量不能通过这些“细绳”传导到芯片上。
微型机械制造工艺是推动DARPA微型原子钟项目的关键所在，艾米特劳解释说：“我们采用了将玻璃和硅片连接到一起的技术，这使得研究人员能够**的控制原子钟的内部特性”。另外，原子钟外部封装的好坏也非常的重要，因为原子钟可能会长年累月地暴露在含有活性金属的环境中，并且，原子钟里面的铷和铯一旦接触氧气就会燃烧。
现在生产技术水平比较高的商用原子钟使用玻璃管包裹金属原子，但是玻璃管的尺寸太大，导致加热金属原子时所需的功耗较大。不同于此，DARPA的微型原子钟使用的是微型机械制造工艺，加热原子所需的功耗要小得多，同时向外部电路传导的热量也非常少。
由于微型原子钟的功耗只有30毫瓦，安装了之后，可以大大延长设备的电池寿命。艾米特劳说：“之前的商用原子钟，根本不可能安装到每一个作战士兵的背包中。就算功耗不受限制，尺寸仍然太大了”。美国陆军的FCS未来作战系统项目正在研发一种先进的数字化作战车辆，设计人员考虑在每部车上安装4个微型原子钟，用来快速同步车载传感器。艾米特劳说：“当FCS作战车辆执行伪装潜伏任务时，必须长时间关闭发动机，此时传感器仍需保持工作状态，在这种情况下，降低车载电子器件的功耗就非常的重要”。
不仅这样，再举个典型的例子，频移传感器是一种广泛使用的传感器，种类非常繁多。如果在频移传感器上安装了微型原子钟，由于计时精度高，传感器的灵敏度将大大提高。艾米特劳说：“受激光束激发的原子团的共振频率非常稳定，振动波长严格的保持在一个特定值。因此，原子钟不仅可以提供授时服务，同时还可以用来测量长度和距离。虽然现在的频移传感器的校准问题很难解决，但是微型原子钟将来会实现内置校准功能。我们的目标是让微型原子钟可以单独校准传感器”。
艾米特劳坚信微型原子钟是通讯系统发展道路上迈出的关键一步，他解释说：“通讯系统有赖于特定的工作频率，而典型的频率发生器就是锁相环结合振动器。”未来的无线电收发器将会使用微型原子钟提供**频率，相比于振动器，可以大大减轻对锁相环产生信号增益的要求。微型原子钟和锁相环结合在一起，不仅能降低功耗，而且还极大的增强了无线电信号收发的可靠性。
DARPA同时还计划未来将微型原子钟和其它先进的计时技术集成到GPS导航卫星上。如果这种想法能够成功，那么以后发射的将会是非常轻巧的“纳米GPS卫星”。在未来的**冲突中，敌军可能会通过摧毁或是干扰一定数量的GPS卫星来破坏美国军方的通讯系统。但要是轨道上有数百颗甚至上千颗这样的“纳米GPS卫星”构成导航星座，那敌军就很难得手。
微型原子钟项目现在已经进入了研发过程中的第四个阶段——操作测试阶段。对于DARPA的其它项目而言，很少进入到该阶段，因为大部分项目进行到第三阶段就结束了。艾米特劳透露说：“DARPA主任安东尼迪泽对微型原子钟的应用前景非常的自信，他向外界清楚的表明了DARPA将会加强测试力度”。而第四阶段的测试可以确保在大规模量产时，微型原子钟不会出现故障。安东尼迪泽说：“微型原子钟项目非常的成功，达到了预期目标，但是我们不会就此止步，我们还要进一步探索微型原子钟的可靠性方面的问题。”
美国陆军的通讯电子研究委员会在新泽西州的福特蒙茅斯市主持了第四阶段的测试工作。微型原子钟将会完全按照**武器装备的要求进行测试，艾米特劳开玩笑说：“他们先要把微型原子钟在火里烧，然后在往地上砸，看看还能不能正常工作”。这种严格的测试为的是确保微型原子钟能够适应空战和陆战环境中速度的快速变化、能够在0到50摄氏度的的温度范围内保持稳定的计时频率，为无线通讯信号提供同步服务。如果原子钟能够顺利达到军方的这些要求，那么不仅是无线通讯，它还可以扩展应用到其他很多领域。
艾米特劳提醒道：“尽管微型原子钟在实验室中的性能表现非常理想，但在实战环境下，工作条件非常的苛刻，原子钟和芯片之间起到连接作用的‘细绳’将面临严峻的挑战，它们要承受剧烈的振动和几个g的加速度。另外，某些振动频率还可能干扰原子钟的计时精度。”
而高度和低气压因素也可能会产生其他**影响。不同于普通的原子钟，微型原子钟的外部封装非常的薄，当气压下降时，内部的铷和铯会加速向外扩散，随着时间的积累，原子钟的计时频率会发生改变。尽管有��些潜在的不确定性，艾米特劳还是非常的有信心，他说：“我们的微型原子钟通过地面和中低高度的测试应该没有问题”。
第四阶段的测试将会持续整整1年，测试结果决定了微型原子钟项目的下步走向。如果测试失败，那DARPA就必须召回项目，进行修改调整；如果测试成功，DARPA会立即转入产品化研究项目，以解决大规模生产时的制造工艺问题，争取将单个微型原子钟的成本降低到100美元以下。 |