CN101694917B - 一种小型微波腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型微波腔，它包括C场线圈、阶跃二极管、耦合探针和加热功率管，微波腔体的一端为全封闭端，全封闭端与集成滤光吸收泡之间放置有腔内电路板，加热功率管用螺钉固定在微波腔体上，C场线圈绕制在集成滤光吸收泡上，将C场线圈和集成滤光吸收泡用导热硅胶粘连在一起，放入微波腔体内，再用导热硅胶将其固定，耦合探针一端焊接在腔内电路板的中心，与阶跃二极管直接电气连接，耦合探针另一端悬空或者接微波腔体的半封闭端，阶跃二极管焊接在腔内电路板上，两块光电池对称焊接在腔内电路板上。本发明结构简单，体积小，腔频易于调节，性能指标高，易于加工。

Description

一种小型微波腔

技术领域

本发明涉及原子频标和微波技术领域，更具体涉及一种原子频率标准用小型微波腔，主要应用于高性能小型化铷原子频标中。

背景技术

在现代军用移动通信中、火控指挥系统中、跳频通信系统中、战术数据链中、飞航式武器系统中、精确打击弹药系统中，小型、低功耗、轻重量、抗恶劣环境的铷原子钟都扮演着十分重要甚至是不可替代的角色。近十年来，被动型铷原子钟在提高稳定度指标、适应恶劣环境及小型化方面取得了重要进展，因此在众多原子频标中小型铷原子频标得到了最为广泛的应用。

被动型铷原子频标由物理系统及电子线路两大部分组成，其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔和光电探测器、C场、磁屏等，电子线路由压控晶体振荡器、隔离放大、综合、倍频、混频、伺服及相关辅助电路组成。物理系统提供量子参考频率，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的量子参考频率上。物理系统是被动型铷原子频率源的核心部件，起到鉴频器的作用，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，频率源正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子共振吸收峰上而获得稳定的频率输出的。由此可见频标的性能指标主要由物理系统决定，在被动型铷原子频标中，物理系统占据整机体积的大半部分，而物理系统中体积最大的部分又是微波腔，因此铷原子频标的小型化集中在微波腔的小型化。目前为获得微波腔小型化的方法主要有采用矩形TE101腔、圆柱形TE111腔、非标准腔及所谓的无腔结构。

采用TE101模可以获得体积最小的标准腔。这种腔的特点是需要一层平行Z方向的介质以压缩横向距离。该腔的优点是体积小，不足在于Q值低，它主要在早期的腔小型化方案中使用，详细内容可参考美国专利US.Pat.No.4495478。TE111是圆柱形腔的最低模式，采用这种模式并在腔内填充介质是当前进行微波腔小型化最普遍的方法之一。相关内容可参考美国专利US.Pub.No.Us2001/0035795A1，同时国内也有相似的专利申请，申请号200810045298.2、公开号CN101237077A。由于TE011模在圆柱形腔中比较难通过简单的介质填充等方式获得小型化，因此发展了各种非标准结构的微波腔，这也是减小微波腔体积的有效办法。此类腔的共同特点是腔内的结构构成集总的L-C形式。也因为由集总参数来决定谐振频率，所以他与标准腔的由几何结构分布形式来决定谐振频率的经典方式相比体积更容易小型化。目前非标准微波腔主要有磁控管腔，同轴腔和螺旋管腔。磁控管腔内有若干极片对称地固定在腔内，极片和极片间的空隙形成集总L-C结构，腔频就主要由极片和空隙的尺寸决定。用于铷原子频标的磁控管微波腔在Hartmut S.Schweda等人的专利US.Pat.No.5387781中有详细说明。基于磁控管技术的开槽管式微波腔也有类似的极片，但这些极片由圆筒对称的开槽到一定深度而得。该腔在梅刚华等人的专利US.Pat.No.6225870或CN1252628A中有详细说明。

另外一种非标准腔是基于同轴振荡器原理。它将伸进腔内的杆以及杆到腔壁的空间构成集总L-C结构。这种腔的谐振频率基本上只由两者几何参数决定，而腔可以在一定程度上不受大小形状限制。而且这种腔的磁矢量与光抽运方向垂直，外界附加磁场产生的干扰小。该腔的详细说明在邓金泉的专利US.Pat.No.6133800或CN1452798A。

螺线管振荡腔也是一种早期的非标准小型化腔方案，它把导线沿吸收泡柱面绕制成螺线型，螺线与线之间间隙构成L-C集总形式。相关详细描述可参考美国专利US.Pat.No.494713和US.Pat.No.5192921。

不需要共振的波导替代微波谐振腔也是减小腔泡系统体积的一种有效方法。在这种结构中，铷原子频标的吸收泡置于波导中，馈入的微波沿波导呈衰减传播形式去激励铷原子，而不要求波导结构谐振在原子频率。有关内容在GeroldSkoczen的专利US.Pat.No.5627497和Thomas C.English的专利US.Pat.No.5517157有详细说明。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种原子频率标准用小型微波腔，其结构简单，体积小，腔频易于调节，性能指标高，易于加工。

为了实现上述目的，本发明提供了一种小型化铷原子频标腔泡系统，包括微波腔体、集成滤光吸收泡、C场线圈、光电池、加热功率管、阶跃二极管和耦合探针。其特征在于：微波腔体采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，微波场型采用TM010模，其电场集中在微波腔体的中轴线上，微波腔体的一端为全封闭端，全封闭端与集成滤光吸收泡之间放置有腔内电路板，加热功率管用螺钉固定在微波腔体上，C场线圈如图2绕制在集成滤光吸收泡上，将C场线圈和集成滤光吸收泡用导热硅胶粘连在一起，放入微波腔体内，同时再用导热硅胶将其固定，耦合探针一端焊接在腔内电路板的中心，与阶跃二极管直接电气连接，耦合探针另一端悬空或者接微波腔体的半封闭端，阶跃二极管焊接在腔内电路板上，两块光电池对称焊接在腔内电路板上。耦合探针必须放置在集成滤光吸收泡的中空部分轴线上。

集成滤光吸收泡由泡区、泡体和泡尾组成，其中泡区由泡体和泡尾封闭而成，内部充有金属铷和缓冲气体，泡体和泡尾由抗碱玻璃材料制成，整个集成滤光吸收泡为中空的圆柱体，C场线圈穿过泡体中空绕制。

腔内电路板上对外连接的半刚性电缆包括射频馈入线、光检输出线和C场电源线，其中电路板焊盘孔7a为光电池5a的正极出线孔，焊盘孔7b为光电池5b的正极出线孔，焊盘孔7c为光电池5a的负极焊孔，焊盘孔7d为光电池5b的负极焊孔，焊盘孔7e为耦合探针的焊孔，焊盘孔7g为射频馈入线的焊孔，电导线连接阶跃二极管的负极与耦合探针的一端，电路板放置于微波腔体内部。

本发明相对现有的技术有三个方面的优点：首先是本发明可有效的减小微波腔体积；其次是本发明有效提高系统的信噪比；最后本发明对谐振频率调节简单有效。具体论述如下。

本发明采用的是圆柱形微波腔的TM010谐振模式：微波腔轴线附近电场最强且平行于轴线，环形磁场垂直于轴线。TM010模式在圆柱形微波腔中是最低谐振模式(当谐振腔直径＞腔长时)；利用高导磁材料做腔省去了专门金属材料微波腔，使得微波腔结构简化、体积减小，同时利用其导磁性能可使固定谐振频率的微波腔体积减小；利用耦合探针处在微波腔轴线的位置，使得TM010模式电场部分集中到耦合探针的表面，形成集总参数，达到降低微波腔体积的目的；采用集成滤光吸收泡技术，由于微波腔谐振频率与微波腔长度无关，因此可有效减小微波腔的体积。

本发明采用的是微波腔的TM010谐振模式，磁场最弱的部分(电场最强的部分)处在微波腔的轴线上，此部分被耦合探针占据，有效遮挡不参与光-微波共振的光路径，减弱了无用光在光电池上产生的噪声，提高了信噪比；微波共振较强的部分均处在集成滤光泡的泡区，有效的加强了共振信号，提高了信噪比；微波共振的磁场全部平行于C场所提供的量子化轴磁场，增加了光-微波共振区域，同时增大了微波填充因子，增大了共振信号强度，提高了信噪比；采用双光电池接收共振信号可有效的抑制光电池自身附带的噪声，提高了信噪比。

本发明采用的是微波腔的TM010谐振模式，该模式谐振频率与微波腔长度无关，仅与微波腔的直径相关，因此可以通过调节耦合探针的直径或者长度可有效调节微波腔谐振频率。

附图说明

图1为一种小型微波腔结构示意图

图2为一种C场绕制在集成滤光吸收泡上的示意图

图3为一种腔盖板的组件示意图

图4为一种小型微波腔的剖视图

图5为一种集成滤光吸收泡剖视图

图6为一种腔内电路板电气图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明：

根据图1、图2、图3、图4、图5、图6可知，一种小型微波腔由微波腔体1、集成滤光吸收泡2(见图5)、C场线圈3(如Elektrisola的155系列或180系列)、光电池5a、光电池5b(如EG&G的VTS20/21系列或30/31系列)、加热功率管8(如Fairchild的TIP125、126、127等)、阶跃二极管4(如M-pluse的MP4022等)和耦合探针6(由直径为1～2毫米的铜棒或银棒制作而成)、腔内电路板7(见图6)组成。按照下面所述的顺序有助于加强对本发明具体实施的理解：

本发明是基于圆柱形微波腔的TM010谐振模，微波腔体1采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，由于TM010模的电场集中在微波腔体1的中轴线上，其腔壁附近为环形磁场，因此微波腔体1内壁不需要进行金属镀层。微波腔体1的一端为全封闭端，全封闭端与集成滤光吸收泡2之间放置有腔内电路板7。微波腔体1另一端为半封闭端，开有两个半圆扇形通光孔。

 本发明中加热功率管8用螺钉固定在微波腔体1上，热敏电阻(图中未示出)埋入金属微波腔体1内，通过两根导线将热敏电阻探测的温度信息反馈到控温电路(图中未示出)，从而为小型化铷原子频标整个腔泡系统提供稳定的工作温度环境。如有需要加热部件也可改为加热丝或者加热薄膜。

本发明中C场线圈3如图2所示紧密绕制在集成滤光吸收泡2上，为集成滤光吸收泡2中铷的工作区提供稳定的磁场，该磁场方向平行于圆柱形微波腔TM010谐振模的磁场方向。将C场线圈3和集成滤光吸收泡2用导热硅胶粘连在一起，放入微波腔体1内，同时再用导热硅胶将其固定，导热硅胶的应用在于确保集成滤光吸收泡2在微波腔体1内具有一定的机械强度、抗震性和导热性。

本发明中集成滤光吸收泡2(见图2和图5)由泡区2a、泡体2b和泡尾2c组成，其中泡区2a由泡体2b和泡尾2c封闭而成，内部充有一定量(100ug-400ug)的金属铷和缓冲气体(氮气、甲烷和氩气等)，泡体2b和泡尾2c由抗碱玻璃材料制成，整个集成滤光吸收泡2为中空的圆柱体，C场线圈3穿过泡体中空部分绕制(见图2)。

本发明中腔内电路板7(见图6)用于承载腔内器件，并作为电气连接的过渡板，版面焊接有阶跃二极管4、光电池5a、光电池5b、耦合探针6以及对外连接的半刚性电缆，同时移动腔内电路板7具有一定的对微波腔体1谐振频率调节功能。

本发明中耦合探针6一端焊接在腔内电路板7的中心，与阶跃二极管4直接电气连接，耦合探针6另一端穿过集成滤光吸收泡2的中空部分，悬空或者接微波腔体1的半封闭端。耦合探针6用于激励起TM010微波谐振模，同时具有减小微波腔1体积和调节微波腔体1谐振频率的作用。

本发明中阶跃二极管4焊接在腔内电路板7上，用于产生激发铷原子跃迁的微波信号。

本发明中两块光电池5a、光电池5b型号完全相同，对称焊接在腔内电路板7上，受光面正对微波腔体1半封闭端的两个半圆扇形通光孔，用于接收光信号。同时两块光电池5a、光电池5b可进行自相关运算，降低光电池的本底噪声，提高铷原子频标的信噪比。

本发明中腔内电路板7(见图6)上对外连接的半刚性电缆包括射频馈入线、光检输出线和C场电源线，它们均连接到铷原子频标电路系统上，其中电路板焊盘孔7a、焊盘孔7b为光电池5a、光电池5b的正极出线孔，焊盘孔7c、焊盘孔7d为为光电池5a、光电池5b的负极焊孔，焊盘孔7e为耦合探针6的焊孔，焊盘孔7g为射频馈入线的焊孔，电导线7f连接阶跃二极管4的负极与耦合探针的一端，电路板7放置于微波腔体1内部，粘有光电池5a、光电池5b的一面正对集成滤光吸收泡2的泡体。

Claims (4)

1.一种小型微波腔，它包括C场线圈(3)、阶跃二极管(4)、耦合探针(6)、和加热功率管(8)，其特征在于：微波腔体(1)采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，微波场型采用TM010模，其电场集中在微波腔体(1)的中轴线上，微波腔体(1)的一端为全封闭端，全封闭端与集成滤光吸收泡(2)之间放置有腔内电路板(7)，加热功率管(8)用螺钉固定在微波腔体(1)上，C场线圈(3)绕制在集成滤光吸收泡(2)上，将C场线圈(3)和集成滤光吸收泡(2)用导热硅胶粘连在一起，放入微波腔体(1)内，再用导热硅胶将其固定，耦合探针(6)一端焊接在腔内电路板(7)的中心，与阶跃二极管(4)直接电气连接，耦合探针(6)另一端悬空或者接微波腔体(1)的半封闭端，阶跃二极管(4)焊接在腔内电路板(7)上，第一光电池(5a)和第二光电池(5b)对称焊接在腔内电路板(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种小型微波腔，其特征在于：所述的耦合探针(6)放置在集成滤光吸收泡(2)的中空轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种小型微波腔，其特征在于：所述的集成滤光吸收泡(2)由泡区(2a)构成，泡区(2a)由泡体(2b)和泡尾(2c)封闭组成，泡区(2a)内部充有金属铷和缓冲气体，泡体(2b)和泡尾(2c)由抗碱玻璃材料制成，整个集成滤光吸收泡(2)为中空的圆柱体，C场线圈(3)穿过泡体中空绕制。

4.根据权利要求1所述的一种小型微波腔，其特征在于：所述的腔内电路板(7)上对外连接的半刚性电缆包括射频馈入线、光检输出线和C场电源线，其中电路板第一焊盘孔(7a)、电路板第二焊盘孔(7b)为第一光电池(5a)、第二光电池(5b)的正极出线孔，第三焊盘孔(7c)、第四焊盘孔(7d)为第一光电池(5a)、第二光电池(5b)的负极焊孔，第五焊盘孔(7e)为耦合探针(6)的焊孔，第六焊盘孔(7g)为射频馈入线的焊孔，电导线(7f)连接阶跃二极管(4)的负极与耦合探针的一端，电路板(7)放置于微波腔体(1)内部。

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