CN108152602A - 一种基于量子相干效应的天线增益测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子相干效应的天线增益测量装置，该装置包括有电磁吸波室、原子气室、激光光源子系统、光谱信号测量子系统、功率测量子系统、天线增益测量子系统以及多个支撑平台。本发明装置通过光学器件来触发能量光谱，使原子诱发，通过光电探测获取能谱，采用吸波材料防止电磁散射体对测量造成影响，利用测量天线馈入净功率、定向耦合器耦合端口的净功率完成对探测光透射光谱数据采集；功率计与计算机通过GPIB总线连接，完成对天线馈入功率值的读取；通过天线增益测量模型完成增益测量。本发明装置相比传统天线测量系统，具有测量精度高、建设成本低、占地空间小等优点。

Description

一种基于量子相干效应的天线增益测量装置

技术领域

本发明涉及天线测量技术领域，具体地说，是指一种基于量子相干效应的天线增益精密测量方法和装置。

背景技术

天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。天线作为导波系统和自由空间电磁场的转换器，是通信系统的重要器件。描述天线性能的参数很多，其中增益描述了天线在某一特定方向上的接受或发射信号的能力。天线增益是指给定方向上辐射强度与接收功率被各向同性天线辐射所得到的辐射强度之比；当不指明方向时，默认为天线最大辐射强度方向。天线增益根据实际需要，又可细分为：远场绝对增益、有限距离增益等，其中天线的有限距离增益是指距离天线某参考点处的功率密度(PFD)和该位置处来自同一参考点处各向同性辐射器产生的功率密度之比，辐射器辐射总功率和天线馈入净功率相等。有限距离增益常用于标定沿天线主轴方向距离天线上参考点特定距离处的功率流密度或电场强度。

天线增益测量方法很多，包括近场法、远场法、紧缩场法以及外推法。

近场法通常在被测天线的辐射近场一定区域内采集数据，经特定近场—远场变换算法计算天线增益，按照扫描区域形式的差别，又可分为平面近场、柱面近场和球面近场。

远场法基于Friis传输模型通过测量收发天线之间的功率传输比获得天线增益，具体包括三天线法、标准天线传递法等，远场法通常又分为室内远场和室外远场两种。紧缩场法在有限空间内通过馈源天线和发射面在暗室静区内构建平面波，然后可以通过标准天线传递法进行增益测量。在这些传统的方法中，都需要测量反射天线和接收天线之间的功率传输比，因此都需要使用辅助天线或探头，由于辅助天线或探头和被测天线之间的互耦、辅助天线或探头对待测天线空间辐射场的扰动、暗室多径反射、以及天线测量装置的影响等，导致常规增益测量方法的不确定度较大。

基于外推法的天线增益测量方法测量一系列距离下收发天线之间的功率传输特性，基于平面波散射矩阵理论、以及由此衍生的天线互耦方程、功率级数展开等重要关系式，通过数值滤波等一系列核心技术滤除天线之间的多次耦合，再通过特定的数值拟合方法，获得理想无限远距离下的天线绝对增益。该方法是目前国际上公认的增益测量最准确的方法，然而这种方法依赖复杂的测量装置，建造成本高，测量程序复杂，不适用于行业推广。

发明内容

为了克服接收天线和发射天线之间互耦、以及测试天线或探头对被测天线空间辐射场的扰动对天线增益测量的影响，实现天线有效距离增益精确测量，本发明提出一种基于天线空间辐射场和高激发态原子(里德堡原子)相互作用量子效应的天线增益精确测量装置，以及使用该装置进行的天线增益方法，该装置相比传统天线测量系统，具有测量精度高、建设成本低、占地空间小等优点。

本发明是一种基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：该装置包括有：磁吸波室(1)、原子气室(2)、激光光源子系统、光谱信号测量子系统、功率测量子系统、天线增益测量子系统以及多个支撑平台(31、32、33、34)；

电磁吸波室(1)用于吸收入射到其表面的特定频率范围的电磁波能量；电磁吸波室(1)是由四面电磁吸波材料和底部电磁吸波材料构成的一个空间；

原子气室(2)用于激发探测激光和耦合激光；原子气室(2)安装在第四支撑平台(34)上；

激光光源子系统分为两部分，一部分是布局在第一支撑平台(31)上的各个仪器，另一部分是布局在第二支撑平台(32)上的各个仪器；

第一支撑平台(31)上放置有光电探测器、半透半反镜、B光纤准直器、耦合激光器和B激光控制器；耦合激光器一方面通过电缆与B激光控制器连接，耦合激光器另一方面通过单模保偏光纤与B光纤准直器连接；B路激光一方面经半透半反镜反射；经B光纤准直器出射的B路激光入射到半透半反镜上，经半透半反镜后的B1反射光在原子气室(2)中激发成为激发B路光入射到折反镜上；

第二支撑平台(32)上放置有折反镜、A光纤准直器、分束器、探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪；探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪为电缆连接，探测激光器另一方面通过单模保偏光纤与分束器一端连接，分束器另一端与A光纤准直器通过单模保偏光纤连接；经A光纤准直器出射的A路激光入射到折反镜上，经折反镜后的A1反射光在原子气室(2)中激发成为激发A路光入射到半透半反镜上；经半透半反镜透过的激发A路光将被光电探测器采集；

光谱信号测量子系统由光电探测器和数字示波器组成，光电探测器将光信号转换为电信号，进行光谱信号的测量；

功率测量子系统包括有定向耦合器、低通滤波器、信号源、热敏功率计；功率测量子系统中的各个器件采用电缆连接；功率测量子系统用于准确测量定向耦合器耦合端口的净功率；定向耦合器配合功率计完成馈入天线净功率的测量；低通滤波器对信号源输出功率信号进行滤波处理，滤除其高次谐波成分，保证馈入到天线的频谱纯度；信号源用于输出特定频率、一定功率强度的功率信号至天线端口，且信号源需要和被测天线的阻抗匹配；功率测量子系统安装在第三支撑平台(33)上；

天线增益测量子系统由计算机与安装在计算机内的天线增益测量模型构成；G表示被测天线在有效距离d处的增益；h_普为普朗克常数；Ω_rf为拉比频率；μ为原子跃迁矩阵元；P_net表示馈入被测天线的净功率；计算机和数字示波器通过LXI总线通讯，完成对探测光透射光谱数据采集；功率计与计算机通过GPIB总线连接，完成对天线馈入功率值的读取。

本发明设计的天线增益测量装置，利用被测天线在原子气室处的空间辐射电场对处于高激发态的里德堡原子的量子相互作用，即在射频电场作用下，里德堡原子电磁诱导透明(EIT)谱线出现(EIT-AT)劈裂，通过测量劈裂宽度(频率量)、测量馈入天线净功率、天线口面距离激光束的距离，以及相应的原子跃迁矩阵元，完成天线增益的精确测量。与传统方法相比，由于不存在探头和被测天线之间的耦合，测量更加准确；另一方面，天线测试可以独立于微波暗室开展，具有测量精度高、程序简单、建设成本低、占地空间小等优点。

附图说明

图1是本发明基于量子相干效应的天线增益测量装置的结构框图。

图2是本发明电磁吸波室与支撑平台的布局结构图。

图3是本发明电磁诱导透明原理示意图。

图4是本发明天线增益测量原理示意图。

图5A是实际测量EIT的光谱信号图。

图5B是实际测量EIT-AT光谱信号。

图6是采用本发明装置与传统微波暗室天线增益测量数据对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明设计了一种基于天线空间辐射场和高激发态原子(里德堡原子)相互作用量子效应的天线增益精确测量装置，该装置包括有：电磁吸波室1、原子气室(碱金属原子)2、激光光源子系统、光谱信号测量子系统、功率测量子系统、天线增益测量子系统以及多个支撑平台(31、32、33、34)。本发明装置适用于1GHz～500GHz频段的工作于发射状态的各类天线。依据天线的工作频段，则信号源产生的频段与天线匹配。

电磁吸波室1

在本发明中，电磁吸波室1用于吸收入射到其表面的特定频率范围的电磁波能量。电磁吸波室1是由四面电磁吸波材料和底部电磁吸波材料构成的一个空间，如图2所示。电磁吸波室1的A面板11与C面板13的结构相同，且A面板11上设有A凹槽11A，C面板13上设有B凹槽13A，A凹槽11A与B凹槽13A用于激光光束通过。电磁吸波室1的B面板12与D面板14的结构相同，且B面板12与D面板14约高于A面板11与C面板13。底面板15设置在四个面板(11、12、13、14)的底部中间。底面板15上方设置有用于安装原子气室(碱金属原子)2的第四支撑台14。

在本发明中，电磁吸波材料设计为三角形结构体。是指能够吸收入射到其表面的某一特定频率范围电磁波能量的一类特殊材料，测量过程中常用聚氨酯泡沫三角尖劈型吸波材料。被测天线在测量中为了防止电磁散射体对测量造成影响，保证被测天线到测量传感器之间只存在一路直射信号，需要用吸波材料遮挡，如原子气室(碱金属原子)2周边布置吸波材料，以及设置在A面板11与C面板13外侧的支撑平台(31、32)上的仪器进行遮挡。

原子气室2

在本发明中，原子气室(碱金属原子)2用于激发探测激光和耦合激光。原子气室(碱金属原子)2又称原子蒸汽池(Vapor cell)，是一个密封体，主要用于提供封闭真空环境用于存储碱金属气体，材质一般为硼硅玻璃或石英，形状可以根据实验需要订制，常用的原子气室为圆柱形或立方体型。

激光光源子系统

在本发明中，激光光源子系统分为两部分，一部分是布局在第一支撑平台31上的各个仪器，另一部分是布局在第二支撑平台32上的各个仪器。

第一支撑平台31上放置有光电探测器、半透半反镜、B光纤准直器、耦合激光器和B激光控制器。耦合激光器一方面通过电缆与B激光控制器连接，耦合激光器另一方面通过单模保偏光纤与B光纤准直器连接。为了方便说明将B光纤准直器出射的光记为B路激光，B路激光经半透半反镜反射的光记为B1反射光，B1反射光经原子气室(碱金属原子)2激发后记为激发B路光。B路激光一方面经半透半反镜反射，另一方面被光电探测器采集，而本发明装置中光电探测器不对激发B路光进行采集利用。经B光纤准直器出射的B路激光入射到半透半反镜上，经半透半反镜后的B1反射光在原子气室(碱金属原子)2中激发成为激发B路光入射到折反镜上。

第二支撑平台32上放置有折反镜、A光纤准直器、分束器、探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪。探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪为电缆连接，探测激光器另一方面通过单模保偏光纤与分束器一端连接，分束器另一端与A光纤准直器通过单模保偏光纤连接。为了方便说明将A光纤准直器出射的光记为A路激光，A路激光经折反镜反射的光记为A1反射光，A1反射光经原子气室(碱金属原子)2激发后记为激发A路光。经A光纤准直器出射的A路激光入射到折反镜上，经折反镜后的A1反射光在原子气室(碱金属原子)2中激发成为激发A路光入射到半透半反镜上。经半透半反镜透过的激发A路光将被光电探测器采集。

在本发明中，激光光源子系统用于激发原子完成特定能级跃迁。本发明装置中使用两台激光器分步激发处于基态的碱金属原子，完成图3三能级EIT的精准操控。激光器的输出激光波长(频率)及其稳定度、功率、线宽等都是激光器的主要参数。对于铷原子系统，需采用780nm半导体激光器(探测激光)和480nm大功率倍频半导体激光器(耦合激光)；对于铯原子系统，需采用852nm半导体激光器(探测激光)和512nm大功率倍频半导体激光器(耦合激光)。在图3中，里德堡(Rydberg)原子通常指外层电子被激发到高量子态(对应主量子数很大，又称里德堡态)的原子。它具有原子半径大、自然寿命长、能级间隔小、极化率高、对外界电场敏感等特点。探测激光和耦合激光分别完成|1＞→|2＞激发和|2＞→|3＞激发，其中|1＞代表基态，|2＞代表某中间态，|3＞代表里德堡态，通过这种双光场分步激发机制可完成里德堡原子的制备。对于碱金属原子铷(Rb)原子，利用波长分别为780nm探测激光和480nm耦合激光进行分步激发，可完成从基态|1＞—中间态|2＞—里德堡态|3＞的跃迁，根据耦合光波长的不同，对应不同的里德堡态|3＞。在这个阶梯型三能级系统中，调节两束激光的功率，在弱探测激光和强耦合激光的作用下，可实现里德堡原子对探测光的电磁诱导透明，扫描探测光的频率可以获得透射光谱，即在|1＞和|2＞共振频率附近出现透射峰，即原本被原子介质吸收得探测激光出现透明窗口。

天线辐射场区分感应近场区、辐射近场区和远场区。在远场条件下，空间辐射场可以用公式(1)进行计算：

其中，d表示观测点距离天线参考点(通常为口面或相位中心)的距离，单位m；G表示被测天线在有效距离d处的增益；P_net表示馈入被测天线的净功率，单位W。

如图4所示，将原子气室放置在天线辐射远场区，当辐射电场的角频率ω(ω＝2πf，f为频率)满足ΔE＝h_普ω时，图3中里德堡态|3＞和附近里德堡态|4＞之间产生共振，其中ΔE是两个里德堡态|3＞和|4＞之间的能量差，h_普为普朗克常数，取值为6.626069×10^{- 34}J·s。此时，里德堡态|3＞被“缀饰”为|g+＞和|g-＞，能级间隔为相应的拉比频率Ω_rf可以通过(2)式计算：

其中|E|为天线辐射场强幅度，μ为辐射电场引起的里德堡态跃迁矩阵元，该数值可以通过半经典理论获得的里德堡态能级数据进行计算。

从公式(2)可见，辐射电场强度强度越大，拉比频率Ω_rf越大。因此，当空间辐射电场达到一定强度时，原来的EIT透射光谱被分裂为两条峰，且两峰分裂间隔为Ω_rf，这种现象称为EIT-AT分裂。实际操作时，考虑到探测激光和耦合激光之间频移造成的多普勒效应，当锁定耦合激光波长扫描探测光波长时，实际观测到的探测光EIT光谱的分裂宽度Δf为：

其中λ_c和λ_p分别为耦合激光波长和探测激光的波长。反之，当锁定探测激光波长扫描耦合光波长时，实际观测到的探测光EIT光谱的分裂宽度Δf＝Ω_rf。联立(1)和(2)，可以获得本发明的天线有效距离增益G的计算式(4)。有别于传统天线增益测量方法，本发明天线增益测量方法，利用被测天线在原子气室处的空间辐射电场对处于高激发态的里德堡原子的量子相互作用，即在射频电场作用下，里德堡原子电磁诱导透明(EIT)谱线出现(EIT-AT)劈裂，通过测量劈裂宽度(频率量)Ω_rf、测量馈入天线净功率P_net、天线口面距离激光束的距离d，以及相应的原子跃迁矩阵元μ，完成天线增益G的精确测量，天线增益测量模型为：

在本发明中，原子饱和吸收谱仪用于产生天线增益测量所需碱金属原子的饱和吸收谱线，用于锁定探测激光器的激光频率。原子饱和吸收谱仪输出一种高分辨率光谱，使激光频率达到标准。

光谱信号测量子系统

在本发明中，光谱信号测量子系统由光电探测器和数字示波器组成，光电探测器将光信号转换为电信号，进行光谱信号的测量。本发明中用的光电探测子系统包括光电二极管探测器和数字示波器测量探测激光经过原子气室(碱金属原子)2后的透射谱线(激发A路光)。光电探测器与数字示波器通过电缆连接。

功率测量子系统

在本发明中，功率测量子系统包括有定向耦合器、低通滤波器、信号源、热敏功率计。功率测量子系统中的各个器件采用电缆连接。功率测量子系统用于准确测量定向耦合器耦合端口的净功率。被测天线、定向耦合器、低通滤波器、信号源和热敏功率计各自通过电缆连接。而热敏功率计通过GPIB总线与计算机连接。

定向耦合器配合功率计完成馈入天线净功率的测量。定向耦合器的耦合端口和输出端口之间的隔离度(耦合因子)需要进行精确校准。

低通滤波器对信号源输出功率信号进行滤波处理，滤除其高次谐波成分，保证馈入到天线的频谱纯度。

信号源是针对被测天线的，被测天线只有接收到有效馈电后才能在空间辐射电磁场，有效馈电需要同时满足频率、功率以及阻抗匹配等要求。信号源用于输出特定频率、一定功率强度的功率信号至天线端口，且信号源需要和被测天线的阻抗匹配。一般可采用单台数字功率微波信号源，当信号源输出信号强度不能满足实验需要，可改用数字微波信号源配套功率放大器完成。

热敏功率计包括热敏功率座和功率计，热敏功率座的核心是精密热敏元件，是功率测量的核心传感器，功率计用于将热敏元件监测结果转化为功率值并进行显示。热敏功率计较常用的二极管功率计具有更高的准确度和稳定度，多用于精密功率测量。为了保证测量结果的准确有效，热敏功率计需要在更高级别的计量基准(标)准进行校准溯源。

天线增益测量子系统

在本发明中，天线增益测量子系统由计算机与安装在计算机内的天线增益测量模型构成。计算机作为天线增益测量子系统的硬件设备，是进行仪器设备控制和数据处理的中枢单元，计算机和数字示波器通过LXI总线通讯，完成对探测光透射光谱数据采集；功率计与计算机通过GPIB总线连接，完成对天线馈入功率值的读取；通过软件分析和处理，完成天线增益的测量。

计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘20GB；操作系统为windows XP及以上版本。

为了保证天线增益测量模型的精度，经多次测量后求平均值。

在本发明中，光电探测器与计算机之间连接有数字示波器。由于，信号源在增益测量频点处输出该单频点天线馈电信号，辐射天线在原子气室处产生一定强度的射频场强。根据测量原理，探测光透射光谱(EIT)出现AT劈裂使用数字示波器采集EIT-AT谱线。对数字示波器采集到多个EIT信号以及其中一个的EIT-AT信号，通过数值拟合准确计算EIT-AT劈裂峰之间的间隔。记示波器采集到的临近里德堡态EIT间隔为Δt₀，空间辐射电场作用下EIT-AT劈裂间隔为Δt。分析能级|3＞附近最接近的里德堡态，记为|3′＞，并计算|3＞和|3′＞能级间隔Δf₀，通过这种基于理论能级间隔标定EIT-AT间隔的方法，可以获得EIT-AT频率间隔，即由于本发明中采用的是锁定探测光的同时扫描耦合光，并测量探测光的透射谱线，因此天线增益测量模型中的Ω_rf＝Δf_m。

读取功率计上的读数P，结合定向耦合器三端口网络参数计算馈入到天线端口的净功率P_net，则有Γ是天线端口复反射系数，S21是定向耦合器的输出和输入端口之间的传输因子，S31是定向耦合器的输出端和耦合端之间的耦合因子。根据Numerov数值方法计算|3＞和|4＞之间的跃迁矩阵元μ(详细计算方法可参考书目T.F.Gallagher,Rydberg Atoms:Cambridge Univ.Press,1994.)，实际测量天线口面距离激光光束距离d、馈入天线净功率P_net，最后根据(4)式计算辐射天线在距离d处的有限距离增益。

支撑平台

在本发明中，为了方便各个仪器的紧凑布局，在电磁吸波室1内设置了第四支撑平台34，在电磁吸波室1外部设置了三个支撑平台(31、32、33)。

第一支撑平台31上放置有光电探测器、半透半反镜、B光纤准直器、耦合激光器和B激光控制器。

第二支撑平台32上放置有折反镜、A光纤准直器、分束器、探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪。

第三支撑平台33上放置有定向耦合器、低通滤波器、信号源、热敏功率座、功率计。被测天线可以安装在第三支撑平台33上，也可以置于磁吸波室1内，且位于原子气室2的对面，并与原子气室2保持有效距离。

第四支撑平台34上放置有原子气室(碱金属原子)2。

在本发明中，支撑平台采用一种光学桌面，是进行量子光学实验的基础平台，提供实验所需水平、稳定的台面用于安装或放置光学实验设备、光机组件等。一般的光学平台都需要进行隔振等措施，以保证平台的稳定度不收外界因素干扰。

在本发明中，通过布局的多个支撑平台来紧凑安装各个仪器，能够缩小测量空间，降低信号损耗，也降低了测量成本。

实施例1

实施例以典型K波段(18GHz～26.5GHz)喇叭天线增益测量为例，描述本发明增益测量装置。选择改频段内高中低三个频点(18.404GHz、21.665GHz和25.745GHz)进行天线增益测量。

实施例用喇叭天线矩形口面尺寸为38.55mm×29.46mm，26.5GHz对应的远场距离为413.6mm，为兼顾本发明装置电磁吸波室的空间和远场条件，确定天线口面距离激光光束距离为600mm。

(一)选择好被测天线后，检查本发明装置中的各个仪器：

1.预热仪器；

半导体激光器和热敏功率计对外界环境温度均较为敏感，为此测量前需要对这两台设备充分预热，确认设备进入稳定工作状态后才能进行天线增益测量。

2.光学元件的安装；

由于本装置中涉及多个光学元件，因此需要对光学元件的安装位置、光路调整，具体包括：使用激光测距仪或其它测长仪器确定天线位置，通过三维精密位移台调整天线方位和极化，并在周边布局电磁吸波材料，完成天线馈电系统的安装；通过光学元件调整激光光路，使得光路满足实验需要，即保证两束激光在原子气室内重合并相向传播，光电探测器接收探测激光透射谱线。

3.探测激光的调整；

探测激光用于将处于基态的碱金属原子激发到中间态，即完成图3中的|1＞→|2＞的第一步激发。同时，通过饱和吸收谱单元产生碱金属原子的饱和吸收谱线，并将探测光锁定到其中一条谱线上，由于饱和吸收谱是原子的固有属性，通过这种方法可实现探测光频率的精确锁频。

4.耦合激光频率扫描；

耦合激光用于将处于中间态的原子激发到里德堡态，即完成图3中的|2＞→|3＞的第二步激发，通过双光场分步激发完成里德堡原子的制备，|3＞对应的能级需要根据天线增益测量频率确定。另一方面，调谐探测光和耦合光的输出功率，在弱探测光和强耦合光的作用下，数字示波器采集探测激光的EIT谱线。同时，在示波器采样参数和时基保持不变的情况下，在较宽范围内扫描耦合光频率，获得含|3＞周边能级的双EIT信号。

5.产生空间辐射电场；

信号源在增益测量频点处输出该单频点天线馈电信号，被测天线在原子气室处产生一定强度的射频场强。根据测量原理，探测光透射光谱(EIT)出现劈裂，即实现EIT-AT的实现操控。

(二)天线增益的测量：

通过计算机的显示器对实审时采集的信息进行数字化的显示，表示出每一次的改变馈入到被测天线端口的功率，重复采集3～10次，分别计算不同空间辐射场作用下对应的天线增益，求得天线增益平均值。

在实施例1中原子气室内填充饱和铯(Cs)蒸汽，基于饱和吸收谱稳频技术，852nm探测激光频率锁定，激光线宽为100kHz。调节光学元件，使得耦合光光与探测光重叠，并向相反方向传输。探测激光和耦合激光功率分别为5.5μW和30.5mW。耦合激光频率在共振频率附近扫描，可获得图5A所示探测光EIT光谱。在此基础上，使用信号源向辐射天线馈入18.404GHz信号，信号源输出功率为－6dBm，热敏功率计读数为－20.59dBm，经过标定后的波导型定向耦合器 天线端口电压驻波比为1.13，即|Г|＝0.061，热敏功率座的校准因子为0.01dB，根据式可计算出馈入到天线端口的净功率为P_net＝0.08mW。被测天线在原子气室周边产生的18.404GHz微波电场使得里德堡态产生强共振，图5B是实际测量到的EIT-AT信号。使用这两个59d态能级间隔理论数据进行频率标定后，图5B中探测激光EIT劈裂间隔为9.88MHz，即Δf＝Ω_rf＝9.88MHz。跃迁矩阵元理论值为μ＝1641.35ea₀，其中e为基本电荷(e＝1.6021733×10^-19)，a₀为玻尔半径(a₀＝5.29177×10^-11)。因此根据(4)式，可以计算出该天线在0.6米处18.404GHz的增益值G＝15.215dBi。为提高增益计算的准确度，改变信号源输出功率，即在不同的微波场强作用下，测量相应的EIT-AT信号，进行4次增益计算，最终取天线增益平均值是15.196dBi。

采用本发明装置的天线增益值与英国国家物理实验室校准值(NPL Calibration)和中国计量科学研究院校准值(NIM Calibration)进行比较。图6给出了21.665GHz和25.745GHz两个频点的实测数据，误差线表示了10次测量的实验标准差。为了验证本发明增益测量方法的正确性，测量结果和在微波暗室内利用三天线法外推法测量值进行了比较。中国计量科学研究院(NIM)和英国国家物理实验室(NPL)测量值吻合较好，故可以该测量值作为参考值。从图中数据可以看出，本发明天线增益测量装置和传统方法一致性较好，说明了方法的有效性和正确性。

本发明天线增益测量装置，利用被测天线在原子气室处的空间辐射电场对处于高激发态的里德堡原子的量子相互作用，即在射频电场作用下，里德堡原子电磁诱导透明(EIT)谱线出现(EIT-AT)劈裂，通过测量劈裂宽度(频率量)、测量馈入天线净功率、天线口面距离激光束的距离，以及相应的原子跃迁矩阵元，完成天线增益的精确测量。与传统方法相比，由于不存在探头和被测天线之间的耦合，测量更加准确；另一方面，天线测试可以独立于微波暗室开展，建造成本低，占地空间小。

Claims (6)

1.一种基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：该装置包括有：磁吸波室(1)、原子气室(2)、激光光源子系统、光谱信号测量子系统、功率测量子系统、天线增益测量子系统以及多个支撑平台(31、32、33、34)；

电磁吸波室(1)用于吸收入射到其表面的特定频率范围的电磁波能量；电磁吸波室(1)是由四面电磁吸波材料和底部电磁吸波材料构成的一个空间；

原子气室(2)用于激发探测激光和耦合激光；原子气室(2)安装在第四支撑平台(34)上；

激光光源子系统分为两部分，一部分是布局在第一支撑平台(31)上的各个仪器，另一部分是布局在第二支撑平台(32)上的各个仪器；

第一支撑平台(31)上放置有光电探测器、半透半反镜、B光纤准直器、耦合激光器和B激光控制器；耦合激光器一方面通过电缆与B激光控制器连接，耦合激光器另一方面通过单模保偏光纤与B光纤准直器连接；B路激光一方面经半透半反镜反射；经B光纤准直器出射的B路激光入射到半透半反镜上，经半透半反镜后的B1反射光在原子气室(2)中激发成为激发B路光入射到折反镜上；

第二支撑平台(32)上放置有折反镜、A光纤准直器、分束器、探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪；探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪为电缆连接，探测激光器另一方面通过单模保偏光纤与分束器一端连接，分束器另一端与A光纤准直器通过单模保偏光纤连接；经A光纤准直器出射的A路激光入射到折反镜上，经折反镜后的A1反射光在原子气室(2)中激发成为激发A路光入射到半透半反镜上；经半透半反镜透过的激发A路光将被光电探测器采集；

光谱信号测量子系统由光电探测器和数字示波器组成，光电探测器将光信号转换为电信号，进行光谱信号的测量；

功率测量子系统包括有定向耦合器、低通滤波器、信号源、热敏功率计；功率测量子系统中的各个器件采用电缆连接；功率测量子系统用于准确测量定向耦合器耦合端口的净功率；定向耦合器配合功率计完成馈入天线净功率的测量；低通滤波器对信号源输出功率信号进行滤波处理，滤除其高次谐波成分，保证馈入到天线的频谱纯度；信号源用于输出特定频率、一定功率强度的功率信号至天线端口，且信号源需要和被测天线的阻抗匹配；功率测量子系统安装在第三支撑平台(33)上；

天线增益测量子系统由计算机与安装在计算机内的天线增益测量模型构成；G表示被测天线在有效距离d处的增益；h_普为普朗克常数；Ω_rf为拉比频率；μ为原子跃迁矩阵元；P_net表示馈入被测天线的净功率；计算机和数字示波器通过LXI总线通讯，完成对探测光透射光谱数据采集；功率计与计算机通过GPIB总线连接，完成对天线馈入功率值的读取。

2.根据权利要求1所述的基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：电磁吸波材料设计为三角形结构体；如聚氨酯泡沫三角尖劈型吸波材料。

3.根据权利要求1所述的基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：原子气室(2)采用碱金属原子。

4.根据权利要求1所述的基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：探测激光器选用780nm半导体激光器、耦合激光器选用480nm大功率倍频半导体激光器。

5.根据权利要求1所述的基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：

第一支撑平台(31)上放置有光电探测器、半透半反镜、B光纤准直器、耦合激光器和B激光控制器；耦合激光器一方面通过电缆与B激光控制器连接，耦合激光器另一方面通过单模保偏光纤与B光纤准直器连接；

第二支撑平台(32)上放置有折反镜、A光纤准直器、分束器、探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪；探测激光器、A激光控制器、锁频控制器和原子饱和吸收谱仪为电缆连接，探测激光器另一方面通过单模保偏光纤与分束器一端连接，分束器另一端与A光纤准直器通过单模保偏光纤连接；

第三支撑平台(33)上放置有定向耦合器、低通滤波器、信号源、热敏功率座、功率计；被测天线、定向耦合器、低通滤波器、信号源和热敏功率计各自通过电缆连接，而热敏功率计通过GPIB总线与计算机连接；

第四支撑平台(34)上放置有原子气室(2)。

6.根据权利要求1所述的基于量子相干效应的天线增益测量装置，其特征在于：电磁吸波室(1)的A面板与B面板上设有凹槽。