CN102769464A - 一种铷原子频标的腔泡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铷原子频标的腔泡系统，集成滤光吸收泡通过导热硅脂固定在介质筒里面，集成滤光吸收泡处于微波腔体的一侧，微波磁场的方向与耦合环垂直,加热筒体一端为全封闭端,加热功率管用螺钉固定在加热筒上，C场线圈绕制在介质筒上,两端由结缘卡环固定,集成滤光吸收泡与介质筒、C场线圈、绝缘卡环一起置于微波腔体内，微波电路板盖在微波腔体敞开一端，与微波腔体一起置于加热筒内，耦合环一端与阶跃二极管连接，另一端与外部射频信号线连接；阶跃二极管焊接在微波电路板上，光电池粘在微波电路板上，加热功率管用螺钉固定在微波腔体上。其结构简单，体积小，腔频微调简便，性能指标高，易于加工。

Description

一种铷原子频标的腔泡系统

技术领域

本发明涉及应用于通信、导航定位、计量等领域的原子频标，更具体涉及一种铷原子频标的腔泡系统，它尤其适用于高性能铷原子频标。

背景技术

随着科学技术的高速发展，原子频标在通信，导航，守时授时等各种科研领域得到广泛的应用。而铷原子频标由于具有功耗低，体积小，价格廉更是在电力，电信，计量校准，雷达设备提供高精度时间和频率基准得到大量应用；尤其是在现代军用移动通信中，轻便型，抗恶劣环境的铷原子频标更是具有不可替代的作用。

被动型铷原子钟是利用铷原子基态能级中的︱F=2,m_F=0>和︱F=1,m_F=0>之间稳定的跃迁谱线作为参考标准，跃迁频率为6834.6875MHz，通过光、微波与原子的双共振及锁频环路将⁸⁷Rb原子的0-0跃迁谱线的稳定性和准确性传递给本振。铷原子频标由电子线路和物理系统两部分组成，其中电子线路由压控晶体振荡器、隔离放大、综合、微波倍频、混频、伺服及相关辅助电路组成；物理系统由光谱灯，集成滤光吸收泡，微波腔，光电池，C场等组成。物理系统是铷原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定，线宽较窄的原子共振吸收曲线，通过频率锁定环路将压控晶体振荡器的输出频率锁定在原子的共振吸收峰上，从而得到稳定的频率输出。

铷原子频标性能主要由物理系统决定，微波与铷原子发生共振的场所便是微波谐振腔。可见，微波谐振腔是铷原子频标的一个重要组成部分，谐振腔的结构，特性将会影响铷原子频标的准确度和稳定度。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。

考虑到铷原子频标小型化的综合要求，微波腔的设计需要考虑以下几个因素：在共振区形成与量子化轴方向平行的微波磁场。而且在共振作用区——吸收泡内的磁场比较强；具有合适的Q值。Q值过低，腔的损耗过大，要求输入的射频功率大，电路工作难度增大，且不利于微波倍频混频的边带抑制；但Q值过高会使腔牵引效应增大，影响整机指标；腔的谐振频率与⁸⁷Rb的钟跃迁频率匹配；并且腔体积要小，便于加工与制作。

腔小型化首先是要选择合适的腔模，腔模的选择要求为：腔填充因子足够大和腔体积尽可能小。一般可用于被动型铷原子频标的腔模有三种：圆柱形TE111模、圆柱形TE011模和矩形TE101模。TE101模腔与其它模式腔有所不同，就是腔中垂直于x轴的一边必须有介质填充层，用以减小激励场沿x轴的变化，从而获得适宜于被动型铷原子频标工作的微波场。这种腔的体积最小，但损耗大，填充因子低，故极少应用于被动型铷原子频标。

在三种模式的微波腔中，TE011模式的腔Q最大，且其微波磁场最强的部分在腔的中轴线附近，正好是集成泡中光-微波双共振的主要作用区，腔填充因子最高。但这种模式的腔尺寸大，不易小型化，且由于TE011模并非圆柱腔的主模，其结构设计稍有不慎就可能在其谐振频率范围内激励出其他模式的微波场。

在此微波腔小型化设计中，选用的是TE111腔。当谐振频率相同时，TE111腔的体积远比TE011腔小，且TE111模是圆柱形腔的主模，其结构设计简单。尽管它的腔Q及场形分布比TE011腔差，但足以满足被动型铷原子频标小型化的综合指标要求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种适用于铷原子频标用的腔泡系统，其结构简单，体积小，腔频微调简便，性能指标高，易于加工。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施:

一种小型化铷原子频标的腔泡系统，包括加热功率管、加热筒体、微波腔体、C场线圈、介质筒、集成滤光吸收泡、微波电路板、光电池、阶跃二极管和耦合环。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TE111模，其磁场分别位于微波腔体的两侧边，磁力线方向相反，由于集成滤光吸收泡通过导热硅脂固定在介质筒里面，而介质筒中是挖空部分与外圆不是同轴心的，使得集成滤光吸收泡刚好处于微波腔体的一侧边，此处的磁场是最强的，发生的微波磁共振也是最强的。其耦合方式是磁耦合，微波磁场的方向与耦合环垂直,在整个集成泡中，微波磁场的指向沿量子化轴的方向,加热筒体为外方内圆结构，加热筒体一端为全封闭端（仅留射频电缆、光检线及C场线圈出口）；加热功率管用螺钉固定在加热筒体上，C场线圈绕制在介质筒上,两端由结缘卡环固定；集成滤光吸收泡与介质筒，C场线圈，绝缘卡环一起置于微波腔体内，微波电路板盖在微波腔体敞开一端，与微波腔体一起置于加热筒内，磁屏蔽效果好；耦合环一端与阶跃二极管连接，另一端与外部射频信号线连接；阶跃二极管焊接在微波电路板上，光电池粘在微波电路板的位置上,耦合环正好置于与介质筒厚度大的那一边上空；加热功率管用螺钉固定在微波腔体上。

集成滤光吸收泡由泡体和泡尾组成，泡体为两头封闭，内部抽真空的圆柱体，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。

腔内电路板有光电池，阶跃二极管和耦合环，其对外连接的半刚性电缆包括射频馈入线、光检输出线和C场线圈，其中各个器件的位置如图3所示，其中电路板焊盘第一通孔为光电池的正负极出线孔，焊盘第二通孔为射频馈入线和C场线圈出线孔，腔内电路板盖在微波腔筒敞开端上方，置于加热筒内部。

本发明相对现有的技术有两个方面的优点：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TE111谐振模式：微波腔两侧附近磁场最强且平行于轴线。TE111是圆柱形微波腔的主模，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，屏蔽效果好。同时利用高介电常数，低介质损耗的陶瓷填充，使微波腔体积进一步减小，并且由于偏离中轴线的放置集成滤光吸收泡，使其正好处于TE111磁场的最强处，达到降低微波腔体积的目的。

本发明可通过旋转介质筒及集成吸收滤光泡与耦合环的相对角度来调节腔频。当介质筒与耦合环的相对角度发生0-90度变化时，磁共振的工作区集成滤光吸收泡就处在磁场由弱到强的连续变化区，从而引起腔频的变化。

附图说明

图1为一种铷原子频标腔泡系统的结构示意图

图2为一种铷原子频标腔泡系统中C场绕制在介质上的示意图

图3为一种铷原子频标腔泡系统中腔盖板的组件示意图

图4为一种铷原子频标腔泡系统的剖视图

图5为一种铷原子频标腔泡系统中加热筒和加热功率管安装示意图

其中:加热功率管1（如Fairchild的ＴＩＰ125、126、127等）、加热筒体2（如铝或铜等金属）、微波腔体3（如铁镍合金或μ金属）、C场线圈4如Elektrisola的155系列或180系列）、绝缘卡环5（如聚砜）、介质筒6（三氧化二铝陶瓷）、集成滤光吸收泡7（抗碱玻璃材料）、微波电路板8（普通FR4板材）、光电池9（如ＥＧ＆Ｇ的ＶＴＳ20／21系列或30／31系列）、阶跃二极管10（如Ｍ-ｐｌｕｓｅ的ＭＰ4022等）和耦合环11（由直径为1毫米的银棒制作而成）

具体实施方式

实施例1：

一种铷原子频标腔泡系统，它包括加热功率管1、加热筒体2、微波腔体3、C场线圈4、绝缘卡环5，介质筒6、集成滤光吸收泡7、微波电路板8、光电池9、阶跃二极管10和耦合环11。其特征在于：微波腔体3采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，微波场型采用TE111模，耦合方式是磁耦合，微波磁场的方向与耦合环垂直。在整个集成泡中，大部分微波磁场的指向沿量子化轴的方向。加热筒体2为外方内圆结构，加热筒体（2）一端为全封闭端（仅留射频电缆、光检线及C场线圈出口），这种结构导热均匀，便于加工安装，加热功率管1用螺钉固定在加热筒2上，C场线圈4绕制在介质筒6上，两端由结缘卡环5固定，集成滤光吸收泡7用导热硅胶固定在介质筒6里面，介质筒6放入微波腔体3内，再用导热胶将其固定，耦合环11一端与外部的射频信号线相连，另一端与阶跃二极管10直接连接，阶跃二极管10焊接在微波电路板8上，光电池9粘在微波电路板8合适的位置上。

所述的其介质筒6为偏心介质圆筒，中空部分用于放集成滤光吸收泡7。

所述的微波腔体3内的TE111模为非标准模，电场最强的两个区域和磁场最强的一个区域分布在介质筒6内，磁场最强的另一区域分布在集成吸收滤光泡7内部。

所述的可通过旋转介质筒6及集成滤光吸收泡7与微波电路板8的相对角度来调节腔频。

所述的介质筒6是由高介电常数，低介质损耗的材料制成。

所述的微波电路板8包含有耦合环11，阶跃二极管10，光电池9及对外连接的射频软电缆。

所述的光电池9输出线的正负极和C场线圈4通过加热筒体2上的电路板焊盘第一通孔12a，电路板焊盘第二通孔12b穿出，与铷原子频标外部伺服电路相连接。

所述的加热筒体2形状为外方内圆，且一端是完全封闭的，仅留有光电池9输出线，C场线圈4及射频电缆的穿出孔。

所述的加热功率管1用螺丝固定在加热筒体2侧面，热敏电阻用导热胶固定在加热筒体2径向加工的钻孔13里面。

本发明是基于圆柱形微波腔的TE111谐振模，微波腔体3（如图1）采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，由于TE111模的磁场集中在微波腔体3的两侧边，而集成滤光吸收泡刚好处于微波腔体的一侧边，此处的磁场是最强的，发生的微波磁共振也是最强的。微波腔体3（如图4）的一端敞开的，与加热筒体2之间放置有腔内微波电路板8，作为腔盖；微波腔体3另一端为半封闭端，开有一个偏心圆形通光孔，便于抽运光的通过。

本发明中加热功率管1用螺钉固定在加热筒体2（如图5）上，热敏电阻（图中未示出）埋入加热筒封闭端打好的孔13内,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。

本发明中C场线圈4（如图2）紧密绕制在介质筒6上，两端用绝缘卡环4固定，为集成滤光吸收泡7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TE111谐振模的磁场方向。将集成滤光吸收泡7放入介质筒6中挖空的圆柱中，用导热硅胶固定，一起放入微波腔体3内，同时再用导热硅胶将其固定，导热硅胶能使集成滤光吸收泡7在介质筒6内具有一定的机械强度且导热；并使C场线圈4、介质筒6在微波腔里具有一定的机械强度且导热。

本发明中腔内微波电路板8（如图3）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10、光电池9耦合环11以及对外连接的半刚性电缆。移动介质筒6与腔内微波电路板8的相对角度能对微波腔体3的谐振频率进行微调。

本发明中光电池9用耐高温胶粘在腔内微波电路板8上（如图3），受光面正对集成滤光吸收泡7和微波腔体3的圆形通光孔，用于接收光信号。

本发明中耦合环11(如图3)一端与阶跃二极管10直接电气连接，另一端与射频馈入线相连，耦合环11与光电池9的一边平行。耦合环11用于激励起TE111微波谐振模，同时具有减小微波腔体3体积和调节微波腔体3谐振频率的作用。

本发明中阶跃二极管10焊接在腔内微波电路板8上，用于产生激发铷原子跃迁的微波信号。

Claims (6)

1.一种铷原子频标的腔泡系统，它包括加热功率管（1）、微波腔体（3）、C场线圈（4）、介质筒（6）、微波电路板（8）、阶跃二极管（10）和耦合环（11）,其特征在于：微波腔体（3）采用高导磁材料的铁镍合金或者μ金属，微波场型采用TE111模，其磁场分别位于微波腔体（3）的两侧边，集成滤光吸收泡通过导热硅脂固定在介质筒（6）里面，介质筒（6）中是挖空部分与外圆不是同轴心，集成滤光吸收泡处于微波腔体（3）的一侧，微波磁场的方向与耦合环垂直,加热筒体（2）为外方内圆，加热筒体（2）一端为全封闭端,加热功率管（1）用螺钉固定在加热筒（2）上，C场线圈（4）绕制在介质筒（6）上,两端由结缘卡环（5）固定,集成滤光吸收泡与介质筒（6）、C场线圈（4）、绝缘卡环（5）一起置于微波腔体（3）内，微波电路板（8）盖在微波腔体（3）敞开一端，与微波腔体（3）一起置于加热筒（2）内，耦合环（11）一端与阶跃二极管（10）连接，另一端与外部射频信号线连接；阶跃二极管（10）焊接在微波电路板（8）上， 光电池（9）粘在微波电路板（8）上，耦合环（11）置于与介质筒（6）上空,加热功率管用螺钉固定在微波腔体（3）上。

2.根据权利要求1所述的一种铷原子频标的腔泡系统，其特征在于：所述的介质筒（6）为偏心介质圆筒，中空放集成滤光吸收泡（7）。

3.根据权利要求１所述的一种铷原子频标的腔泡系统，其特征在于：所述的微波腔体（3）内的TE111模为非标准模，电场的两个区域和磁场的一个区域分布在介质筒（６）内，磁场的另一区域分布在集成吸收滤光泡（7）内部。

4.根据权利要求1 所述的一种铷原子频标的腔泡系统，其特征在于：所述的介质筒（6）是由高介电常数，低介质损耗的材料制成。

5.根据权利要求1 所述的一种铷原子频标的腔泡系统，其特征在于：所述的光电池（9）输出线的正负极和C场线圈（4）通过加热筒体（2）上的 第一通孔（12a）， 第二通孔（12b）穿出，与铷原子频标外部伺服电路相连接。

6.根据权利要求1 所述的一种实用小型铷原子频标的腔泡系统，其特征在于：所述的加热功率管（1）用螺丝固定在加热筒体（2）侧面，热敏电阻用导热胶固定在加热筒体（2）径向加工的钻孔（13）里面。

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