CN110244241B - 一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微波腔内微波场分布测试的装置，它由微波源、探测环、频谱仪和三维平移台组成。其中探测环是用半刚性同轴电缆SFT‑50‑1的一端制作的，将半刚性同轴电缆的芯线剥出，并焊接在电缆外部铜皮上，构成一个圆形探测环，半刚性同轴电缆另一端做成SMA头，通过SMA转接头与软同轴电缆相连后与频谱仪连接。半刚性同轴电缆固定在三维平移台上，本发明通过三维平移台对探测环的移动，然后用频谱仪读取探测环内探测到的微波腔内各个方向(X、Y、Z)微波场的强度，从而得到微波腔内微波场的分布。这种装置具有结构简单，使用方便的特点，可以很容易得出微波场各个方向的场强度的分布。

Description

一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法和装置
技术领域
本发明涉及微波腔内微波磁场测试领域，更具体涉及一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法，同时还涉及一种获取微波腔内微波磁场分布的测量的装置，它适用于测出微波腔内各个方向的微波磁场分布。
背景技术
铷原子钟以其体积小、重量轻、功耗低、频率稳定度高等特点广泛应用于导航、通信、电力和交通等领域。铷原子钟的核心是物、理系统，它是一个原子鉴频器，其鉴频信号的信噪比直接决定了铷原子钟最重要的技术指标—频率稳定度。
根据铷原子钟物理系统工作原理和铷原子跃迁的选择定则可知，只有与原子系统量子化轴方向平行的微波场分量才能激励铷原子跃迁。发明人通过在微波腔外壁绕制C场线圈，在线圈上通入稳定的小电流后产生与微波腔轴线方向(定义为Z方向)一致的均匀磁场，用来提供铷原子跃迁的量子化轴(Z方向)。因此微波腔作为为铷原子跃迁提供微波磁场的载体，不仅提供微波频率应与铷原子钟跃迁频率相同，而且微波场的分布必须合适。在微波与原子作用区域，与原子系统量子化轴方向平行的微波的磁分量(HZ)分布越均匀越密集，铷原子跃迁信号就越强，物理系统的信噪比就越大，那么铷原子钟的频率稳定度指标就越好。因此，铷原子钟的跃迁信号与微波腔的微波磁场分布特性相关。微波腔的微波磁场分布直接影响物理系统的信噪比，从而影响铷原子钟的稳定度指标。
目前一般通过仿真计算才能得到微波腔内微波磁场的分布，但是对于非标准腔，很难通过计算得到微波磁场的分布，因此申请人需要设计一种用于微波腔内微波磁场分布测试的装置，并通过设计改善微波场。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法，用于直观的测出微波腔内微波场的分布，
本发明的另一个目的在于提供一种获取微波腔内微波磁场分布的测量装置，结构简单，使用方便，利用这种装置，可以很方便的测出微波腔场内的微波磁场分布。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：微波源恒定功率通过耦合环馈入到待测微波腔内，形成微波磁场；
步骤2：移动同轴电缆，使同轴电缆一端连接的探测环在待测微波腔内分别在X、Y、Z各方向的移动步长覆盖整个待测微波腔，用于在待测微波场内测量X、Y、Z各方向的感生电动势分量分布，所述探测环垂直于微波磁场方向；
步骤3：频谱仪经半刚性同轴电缆读取探测环测量到的感生电动势分量，频谱仪再输出微波信号功率分量；
步骤4：将步骤3获得的X、Y、Z各方向的微波信号功率分量与步骤2中探测环在X、Y、Z各方向的移动步长对应，获得待测微波腔内X、Y、Z各方向的微波信号功率分量分布。
进一步地，所述耦合环为待测微波腔外壁绕制的C场线圈，所述步骤1中微波源将恒定功率的电流通入线圈后产生与待测微波腔X或Y或Z方向一致的微波磁场。
进一步地，所述微波磁场为交变微波磁场。
进一步地，所述微波源的输出频率为待测微波腔的共振频率，输出功率为20dBm。
优选地，所述半刚性同轴电缆平行于微波腔内的X或Y或Z方向，所述探测环按以下4种方式布置使探测环垂直于微波磁场方向：探测环环面与半刚性同轴电缆垂直、探测环环面与半刚性同轴电缆平行、半刚性同轴电缆做成之字形后，探测环环面与半刚性同轴电缆垂直或平行。
优选地，所述半刚性同轴电缆直径小于待测微波腔直径的1/10，所述探测环的面积小于1mm2。
由上地，一种微波腔内微波磁场分布的测量装置，其特征在于，包括：探测环、半刚性同轴电缆、微波源、频谱仪、三维平移台、微波腔，半刚性同轴电缆分别与探测环、频谱仪电性相连，探测环布置在微波腔内，微波源将设定频率、功率的交流电流通过耦合环馈入待测微波腔，计算机通过频谱仪读取探测环经半刚性同轴电缆探测到的微波信号功率P；三维平移台驱动探测环分别在X、Y、Z方向移动，计算机同时记录探测环在待测微波腔内沿X、Y、Z方向相对于初始位置的移动步长，计算机根据移动步长和微波信号功率P绘制出微波腔内部微波磁场分量分别在X、Y、Z方向的分布。
进一步地，所述半刚性同轴电缆的芯线焊接在电缆外部铜皮上，构成一个圆形探测环，半刚性同轴电缆的另一端做成SMA头，通过SMA转接头与软同轴电缆相连后与频谱仪连接。
本发明公布的测量方法的测量原理是：当微波磁场H穿过面积为S的探测环面时，由于法拉第电磁感应效应，交变微波磁场会使得探测环内产生交流的感生电动势。该感生电动势的大小直接反应了探测环面积内微波磁场分量的强弱。因此，通过探测环耦合微波腔内不同位置的微波磁场强度分布就可以间接得到微波磁场强度分量的分布情况。上述技术措施，最关键的是探测环的环面和半刚性同轴电缆的选择，必须保证这两个零部件对微波腔微波场的分布扰动不大，另外就是探测环的环面必须与待测微波场方向垂直。
本发明的有益效果在于：微波源的输出频率设置为待测微波腔的共振频率，并以恒定的功率(20dBm左右)通过耦合环馈入到待测微波腔中可形成与原子系统量子化轴方向平行的微波磁分量，通过设定微波源输入设定频率、功率的交流电流，可产生稳定的交变微波磁场，使被测量量稳定，交变磁场会使得探测环内产生交流的感生电动势，通过选择探测环的环面和半刚性同轴电缆，保证这两个零部件对微波腔微波磁场的分布扰动不大，另外通过将探测环设置的与半刚性同轴电缆垂直或平行，或与做成之字形后半刚性同轴电缆垂直或平行，使半刚性同轴电缆在随三维平移台在微波腔内沿X或Y或Z方向运动时，探测环与待测微波场方向垂直，在微波磁场H穿过面积为S的探测环面时获得感生电动势，通过频谱仪转变成微波信号功率，这样达到测量待测微波腔内X、Y、Z各方向的微波信号功率分量分布的目的。
附图说明
图1为一种获取微波腔微波磁场分布的测量的装置示意图；
图2为采用图1中的装置测量的微波磁场分量分布示意图；
其中：1－探测环、2－半刚性同轴电缆、3－微波源、4－频谱仪(安捷伦N9020A)、5－三维平移台、6－微波腔、7-耦合环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1：
一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法，其步骤是：
步骤1：微波源将恒定功率通过耦合环馈入到待测微波腔内，形成微波磁场；
步骤2：移动同轴电缆，使同轴电缆一端连接的探测环在待测微波腔内分别在X、Y、Z各方向的移动步长覆盖整个待测微波腔，用于在待测微波场内测量X、Y、Z各方向的感生电动势分量分布，所述探测环垂直于微波磁场方向；
步骤3：频谱仪经半刚性同轴电缆读取探测环测量到的感生电动势分量，频谱仪再输出微波信号功率分量；
步骤4：将步骤3获得的X、Y、Z各方向的微波信号功率分量与步骤2中探测环在X、Y、Z各方向的移动步长对应，获得待测微波腔内X、Y、Z各方向的微波信号功率分量分布。
所述微波源的输出频率为待测微波腔的共振频率，输出功率为20dBm，所述探测环按以下4种方式布置使探测环垂直于微波磁场方向：探测环环面与半刚性同轴电缆垂直、探测环环面与半刚性同轴电缆平行、半刚性同轴电缆做成之字形后，探测环环面与半刚性同轴电缆垂直或平行。所述耦合环为待测微波腔外壁绕制的C场线圈，所述步骤1中微波源将恒定功率的电流通入线圈后产生与待测微波腔X或Y或Z方向一致的微波磁场。所述半刚性同轴电缆直径小于待测微波腔直径的1/10，所述探测环的面积小于1mm2
实施例2：
如图1，一种获取微波腔微波磁场分布的测量装置，它由探测环1、半刚性同轴电缆2、微波源3、频谱仪4、三维平移台5、待测微波腔6构成。该装置的连接关系是：半刚性同轴电缆2分别与探测环1、频谱仪4电性相连，频谱仪4为安捷伦N9020A型频谱仪，探测环1放入微波腔6内，微波源3将恒定功率通过微波腔外壁缠绕的耦合环7馈入到待测微波腔6中，通过频谱仪4读取探测环1经半刚性同轴电缆2探测到的微波信号功率P，待测微波腔6通过螺钉固定，通过在(X、Y、Z)方向移动三维平移台5，即相当于在待测微波腔6内使探测环1在(X、Y、Z)方向移动改变的位置，测量出微波腔内部微波磁场分量在(X、Y、Z)方向的分布。微波源3的输出频率设置为待测微波腔6的共振频率，并以恒定的功率20dBm通过耦合环馈入到待测微波腔6中。
探测环1用半刚性同轴电缆2(SFT-50-1)的一端制作，方法是将半刚性同轴电缆2的芯线剥出，半刚性同轴电缆2的芯线焊接在电缆外部铜皮上，构成一个圆形探测环1，半刚性同轴电缆2的另一端做成SMA头，通过SMA转接头与软同轴电缆相连后与频谱仪4连接。其中半刚性同轴电缆2的直径不能超过待测微波腔6直径的1/10，探测环1的面积不超过1mm2。
半刚性同轴电缆平行于微波腔6腔轴方向，探测环1的环面在半刚性同轴电缆2上的布置方式有四种形状，一种是探测环1环面与半刚性同轴电缆2垂直，用于使探测环1环面垂直于微波腔6腔轴方向的微波磁场；一种是探测环1环面与半刚性同轴电缆2平行，用于使探测环1环面与垂直于图1中微波腔6截面的微波磁场垂直，即微波磁场垂直于图1的平面向内或向外，探测环1环面垂直于水平面并平行于微波腔6腔轴方向，或使探测环1环面与平行于图1中微波腔6截面的微波磁场垂直，即微波磁场在图1中的方向是竖直向上或向下，探测环1环面平行于水平面；另外两种是半刚性同轴电缆2做成之字形后，探测环1环面与半刚性同轴电缆2垂直或平行。探测环1在半刚性同轴电缆2上分别布置成四种形状后测量在图1中微波腔6内X或Y或Z不同方向的微波磁场分布，探测环1可根据待测微波腔6的形状，选择合适的探测环，保证在X、Y、Z方向的移动步长覆盖整个待测微波腔6。
如图1，测量微波腔Z方向微波场时，探测环1的环面垂直于Z方向放入待测微波腔6内，用频谱仪4读取探测环1经半刚性同轴电缆2探测到的微波信号功率P，并记录在计算机中。通过在X、Y、Z方向移动三维平移台5，并在微波腔6内选用不同的探测环1形状，保证探测环1在X、Y、Z方向的移动步长覆盖整个待测微波腔6，并将移动步长记录在计算机中，从而可以测量微波腔6整个范围内三个方向X、Y、Z的微波磁场分布情况。
具体地，选取中科院武汉物理与数学研究所发明的一种开槽管微波腔，如专利106129573B，一种新型原子频标微波腔，微波腔的内径为12mm，步骤1，微波源恒定功率通过耦合环馈入到待测微波腔内，形成微波磁场，微波源的输出频率为待测微波腔的共振频率，输出功率为20dBm；步骤2，以微波腔内与腔轴垂直的截面为待测截面，以待测截面的正中心为坐标零点，微波腔腔轴方向为X轴，Y或Z轴垂直于X轴，如图1，通过移动三维平移台5，使同轴电缆一端连接的探测环在待测截面内位移，探测环沿Y轴或Z轴的按移动步长移动覆盖待测截面内的整个Y或Z轴；步骤3，利用上述技术方案和装置，测量微波腔内一待测截面内沿Y或Z轴的微波信号功率分量；步骤4，步骤3获得的Y或Z轴的微波信号功率分量与步骤2中探测环在Y或Z轴的移动步长对应，获得待测微波腔内一待测截面Y或Z轴的微波信号功率分量分布，测试结果如下图2所示。
步骤5，再在平行于Y或Z轴的方向上移动探测环，重复步骤2～4得到待测截面内各位置处Y、Z各方向的微波信号功率分量分布。
最后改变探测环在腔轴方向(X轴方向)与微波腔的相对位置，重复步骤2～5，得到沿腔轴方向分布的各个待测截面内Y、Z各方向的微波信号功率分量分布，即待测微波腔内X、Y、Z各方向的微波信号功率分量分布。
通过此测试结果可以看出，该微波腔微波磁场的轴向微波信号功率分量沿纵向分布不均匀，在中心区域较弱，在半径较大的地方较强，因此该测量结果很直观的反应出了微波腔内微波场的分布，与理论仿真结果是一致的。
目前没有现有技术方案可以直观的测出微波腔内微波场的分布，仅可以通过理论计算和仿真来得到微波腔内微波场的分布，但是由于理论仿真具有较大的局限性，特别是对于非标准腔来说，很难给出理论计算和仿真结果。本技术所使用到的仪器结构简单，使用方便，适应性强，对于标准微波腔与非标准微波腔均实用，利用这种装置，可以很方便直观的测出微波腔场内的微波磁场分布。

Claims (2)

1.一种获取微波腔内微波磁场分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：微波源恒定功率通过耦合环馈入到待测微波腔内，产生与待测微波腔X或Y或Z方向一致的交变微波磁场，所述待测微波腔外壁绕制C场线圈，输出频率为待测微波腔的共振频率，输出功率为20dBm，所述微波腔的内径为12mm；
步骤2：移动同轴电缆，使同轴电缆一端连接的探测环在待测微波腔内分别在X、Y、Z各方向的移动步长覆盖整个待测微波腔，用于在待测微波场内测量X、Y、Z各方向的感生电动势分量分布，所述探测环垂直于微波磁场方向；
步骤3：频谱仪经半刚性同轴电缆读取探测环测量到的感生电动势分量，频谱仪再输出微波信号功率分量，所述半刚性同轴电缆的芯线焊接在电缆外部铜皮上，构成一个圆形探测环，半刚性同轴电缆的另一端做成SMA头，通过SMA转接头与软同轴电缆相连后与频谱仪连接，所述半刚性同轴电缆直径小于待测微波腔直径的1/10，所述探测环的面积小于1mm2；
步骤4：将步骤3获得的X、Y、Z各方向的微波信号功率分量与步骤2中探测环在X、Y、Z各方向的移动步长对应，获得待测微波腔内X、Y、Z各方向的微波信号功率分量分布；
所述半刚性同轴电缆平行于微波腔内的X或Y或Z方向，所述探测环按以下4种方式布置使探测环垂直于微波磁场方向：探测环环面与半刚性同轴电缆垂直、探测环环面与半刚性同轴电缆平行、半刚性同轴电缆做成之字形后，探测环环面与半刚性同轴电缆垂直或平行。
2.基于权利要求1所述方法的微波腔内微波磁场分布的测量装置，其特征在于，包括探测环(1)、半刚性同轴电缆(2)、微波源(3)、频谱仪(4)、三维平移台(5)、待测微波腔(6)，其特征在于：半刚性同轴电缆(2)分别与探测环(1)、频谱仪(4)相连，探测环(1)放入微波腔(6)内，微波源(3)将设定频率、功率的交流电流通过耦合环馈入到待测微波腔(6)，计算机通过频谱仪(4)读取探测环(1)经半刚性同轴电缆(2)探测到的微波信号功率P；三维平移台(5)驱动探测环(1)分别在X、Y、Z方向移动，计算机同时记录探测环在待测微波腔(6)内沿X、Y、Z方向相对于初始位置的移动步长，计算机根据移动步长和微波信号功率P绘制出微波腔内部微波磁场分量分别在X、Y、Z方向的分布，所述半刚性同轴电缆(2)的芯线焊接在电缆外部铜皮上，构成一个圆形探测环(1)，半刚性同轴电缆(2)的另一端做成SMA头，通过SMA转接头与软同轴电缆相连后与频谱仪(4)连接，刚性同轴电缆(2)的直径不超过待测微波腔(6)直径的1/10，探测环(1)的面积不超过1mm2，所述微波腔的内径为12mm，微波源的输出频率为待测微波腔的共振频率，输出功率为20dBm。
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