CN110350287B - 一种准球形谐振腔闭合判别方法 - Google Patents

一种准球形谐振腔闭合判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种准球形谐振腔闭合判别方法，其包括：步骤一，将所述准球形谐振腔放置在所述恒温室中，准球形谐振腔通过支架放置在光学平台上，利用对位环对准球形谐振腔的上半球和下半球进行重合对位；步骤二，完成两半球的重合对位后，向准球形谐振腔通入稳定流量的高纯低温气体，完成实验系统的连接和调试；步骤三，进行准球形谐振腔闭合工作，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的实时计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测，基于相对过量半宽度的变化趋势，从而实现准球形谐振腔闭合的精准判别。本发明的闭合判断新方法对准球形结构具有普适性；采用完美闭合指数这一评价指标，有利于不同方法间的量化比较。

Description

一种准球形谐振腔闭合判别方法
技术领域
本发明涉及一种判别方法，特别是涉及一种准球形谐振腔闭合判别方法。
背景技术
谐振腔是一种封闭的腔体，被广泛应用于光学、电磁学、声学等基础测量领域。目前在电磁学领域常见的谐振腔有矩形谐振腔、圆柱形谐振腔、球形谐振腔、椭球形谐振腔和准球形谐振腔。其中，球形谐振腔最为简单，实际中，由于受限加工技术及加工精度，不能制造出完美球形，会出现微波缔和现象，导致谐振频率测量精度大幅下降。因此，通常采用准球形谐振腔，有效分离缔合模式，实现谐振频率的高精度测量。通常准球形谐振腔由两个半球腔构成，加工完成半球后需要将两个半球腔体组合成一个整体，以完成微波谐振频率的测量。而两个半球闭合的完美程度直接影响后续测量精度，因此，必须有效闭合两个准半球。
目前，谐振腔闭合的方法大致可分为两种，一种是传统的闭合方法，记为闭合方法1，这是一种笼统、模糊的闭合方法，谐振腔闭合装置简单，没有采用量化工具，凭借主观感觉和个人经验进行闭合，无法定量分析，不能形成量化的闭合判断标准和闭合程度的评价指标，不能有效指导其它球腔的闭合和判断闭合品质。另一种方法，记为闭合方法2，是通过微波谐振频率测量技术实时监测闭合过程中微波信号的变化，以长、短轴对应散射参数幅值的比值与长、短轴长度的比值是否相等为闭合判定依据，由于微波天线位置对x，y，z三轴方向上散射参数幅值的影响程度不同，很难通过比值判断是否合理闭合，因而该方法不具有普适性。
综上，要实现高精度的微波谐振频率测量，需要采用合理的闭合装置及方法，并建立有效的闭合判断方法和闭合评价指标。
发明内容
本发明的目的是解决传统准球形谐振腔闭合方法中的闭合判断方法普适性差、闭合品质难以评判等问题。
本发明提供了一种准球形谐振腔闭合判别方法，其包括：
步骤一，将所述准球形谐振腔放置在所述恒温室中，准球形谐振腔通过支架放置在光学平台上，利用对位环对准球形谐振腔的上半球和下半球进行重合对位；
步骤二，完成两半球的重合对位后，向准球形谐振腔通入稳定流量的高纯低温气体，完成实验系统的连接和调试；
步骤三，进行准球形谐振腔闭合工作，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的精确计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测，基于相对过量半宽度的变化趋势，从而实现准球形谐振腔闭合的精准判别。
其中，所述谐振腔包括微波天线，所述微波天线为直线天线或环形天线。
其中，所述步骤三中测量包含但不限于TM11、TM12、TM13、TM14、TM15、TM16、TM17、TM18等单个和/或多个电磁模式。
其中，所述步骤三中采用相对过量半宽度的变化作为闭合的判别依据。
其中，所述步骤三中采用闭合完美指数作为评价指标。
其中，在实施该方法过程中，在稳定的温度、压力以及恒定流量的环境条件下，等间隔施加扭矩，优选扭矩间隔为包含但不限于1cNm-10cNm之间的任意值。
其中，在实施该方法过程中，气路系统持续向谐振腔提供微量恒定流量的高纯气体。
其中，所述气体为高纯气体4He，或3He、氩气、氖气、氮气等低温气体，气体流量为包含但不限于0-200sccm之间的任意值。
其中，利用对位环对谐振腔上半球和下半球的赤道面进行重合定位。
其中，谐振腔采用包含但不限于高导无氧铜等金属材料、或蓝宝石等非金属材料、或铜氧化合物、或铁(镍)基等超导材料及还可以是选择上述材料组成的复合结构；金属材料谐振腔的内壁还可镀金、银等高导金属层。
其中，所述恒温室优选在10℃-50℃控温精度小于±0.5℃，室内常压条件下压力波动小于±5kPa。
其中，所述对位环的材料线性膨胀系数大于谐振腔材料的线性膨胀系数；
其中，对位环材料的线性膨胀系数也可小于谐振腔材料的线性膨胀系数的材质。
本发明提出了一种具有普适性的微波谐振腔闭合判别方法，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的实时计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测，从而指导闭合谐振球腔，旨在为谐振腔的成功闭合提供更为普适的判别依据，以提高微波谐振频率的测控精度。
附图说明
图1为本发明的准球形谐振腔闭合装置的结构示意图；
图2为本发明的闭合判别方法的流程示意图；
图3为本发明的谐振腔的正视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
本发明提供了一种准球形谐振腔闭合判别方法，图1为准球形谐振腔闭合装置的结构示意图，对其实施本发明的闭合判别方法。如图1所示，本发明的准球形谐振腔闭合装置包括：恒温油槽1、标准电阻2、数显压力计3、控制与采集系统4、测温电桥5、温度计6、流量计7、进气孔8、上天线9、对位环10、螺栓11、谐振腔12、下天线13、三通阀14、T型软管15、减压阀16、支架17、光学平台18、网络分析仪19、气源20、时间标准仪21、出气孔22、恒温室23。其中，恒温室23为谐振腔12的闭合提供10℃-50℃连续可调且稳定的温度环境。
如图1所示的实施案例中，谐振腔12优先为准球形谐振腔结构，所述谐振腔12的腔体满足方程x2/ax 2+y2/ay 2+z2/az 2＝1，其在x,y,z三轴方向的最长半径(记为Rmax)是最短半径(记为Rmin)的1～1.01倍，第二长半径(记为Rmid)是最短半径Rmin的1～1.01倍，最短半径Rmin可为1cm～25cm之间的任意值。所述谐振腔12采用包含但不限于高导无氧铜等金属材料、或蓝宝石等非金属材料、或铜氧化合物、或铁(镍)基等超导材料及还可以是选择上述材料组成的复合结构。
如图1所示的实施案例中，实施步骤一：首先，应先完成两半球的重合对位。
设置恒温室23，将光学平台18、谐振腔12以及诸多部件放置在所述恒温室中，为系统的测量和判别提供稳定的温度环境，其中，所述谐振腔12通过支架17放置在光学平台18上。谐振腔12包括上半球12-1和下半球12-2，利用对位环10对上半球12-1和下半球12-2进行重合定位，该对位环10材料线性膨胀系数大于谐振腔的材料线性膨胀系数，优选所述对位环的线性膨胀系统是谐振腔材料的膨胀系数2倍或2倍以上，例如该对位环10采用聚酯材质；作为进一步的变形实施，该对位环10材料线性膨胀系数也可小于谐振腔的材料线性膨胀系数，优选所述对位环的线性膨胀系统是谐振腔材料的膨胀系数0.5倍或0.5倍以下；所述对位环10的内半径Ri与谐振腔赤道面外半径相当，在1cm～27cm之间，两者相差小于±1％，优选小于±0.2％，所述对位环10的外半径Ro是内半径Ri的1.1～1.5倍，所述对位环10的高h等于其内外半径差值(Ro-Ri)的0.7～2.0倍，利用两种材料线性膨胀系数差异，实现上、下两个半球赤道球面的精确重合对位。
如图1所示的实施案例中，完成两半球的重合对位后，在进行准球形谐振腔的闭合前，采用实施步骤二，应完成如图1所示的系统连接和调试工作：
控制与采集系统4与网络分析仪19、数显压力计3等进行连接，可采用信号电缆或无线信号等方式进行连接，实现控制与采集系统4对谐振腔闭合装置的状态的监控。控制与采集系统4连接到网络分析仪19，所述网络分析仪19在宽频带内进行扫描测量以确定网络参量，网络分析仪19与谐振腔12的上天线9与下天线13相连接，所述上天线9和下天线13用来发射和接受微波信号，时间标准仪21连接到网络分析仪19，其为网络分析仪19提供时间参考标准。
在谐振腔12上设置有温度计6，所述温度计6与测温电桥5相连，优选所述温度计6还可以为温度传感元件，通过温度计6可精准测量谐振腔的温度。所述测温电桥5与标准电阻2相连，恒温油槽1为标准电阻2提供恒温环境。恒温室23为谐振腔12的闭合提供稳定的温度环境，控温精度越高越好，优选室温区(10℃-50℃)控温精度小于±0.5℃的温控结构和温控系统，室内常压条件下压力波动小于±5kPa。
数显压力计3和控制与采集系统4相连接，并通过T型软管15的一个端口15-1与谐振腔12上出气孔22相连，用来精确监测谐振腔12的压力。
如图1所示，在谐振腔12上分别开有进气孔8和出气孔22，所述进气孔8连接到气路系统，所述气路系统包括有流量计7、三通阀14、减压阀16和气源20，所述气路系统通过流量计7精确控制气源20的供量，为装置提供持续稳定的气流环境，以吹扫管路避免谐振腔体受到污染，其中，所述气源20中的气体优选为高纯气体4He，或者还可以为3He、氩气、氖气、氮气等低温气体，气体流量为包含但不限于0-200sccm之间的任意值。
需要特别说明的是：所述步骤一与所述步骤二并没有严格的前后顺序限制，以上说明仅仅是为了便于理解。需要明确的是：在所述步骤一和/或所述步骤二中完成上半球12-1和下半球12-2对位后，需要向谐振腔12内通入恒定流量的高纯气体，并一直维持下去。
如图1所示的实施案例中，完成系统连接和调试工作后，实施步骤三，开始进行准球形谐振腔闭合工作，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的理论计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测：
将非磁性螺栓11放入分布在谐振腔赤道边缘上的螺孔24内，参见图3所示，使用高精度扭矩扳手依次对所有螺栓施加同一扭矩，所述扭力扳手可采用高精度数显扭力扳手，量程覆盖包含但不限于0-200cNm。
在固定完成后，通过控制与采集系统4，基于网络分析仪19和微波天线，完成TM11模式(和/或TM12-TM18等多个模式)的扫频测量，所述微波天线可使用直线天线或环形天线；测量包含但不限于TM11、TM12、TM13、TM14、TM15、TM16、TM17、TM18等单个和/或多个电磁模式；
然后，等间距(推荐扭矩间隔为包含但不限于1cNm～10cNm之间的任意值)增加扭力扳手扭矩，重复上述过程直至TM11模式(和/或TM12-TM18等多个模式)的最长轴方向(比如，z轴方向上)相对过量半宽度不再发生明显不变，此时，可认为谐振腔成功闭合。而后，升高恒温室23温度，由于对位环所10用材料线性膨胀系数大于谐振腔12用材料线性膨胀系数，随着温度的升高，对位环10和谐振腔12之间的缝隙加大，直到可以方便的取下对位环10；作为进一步的变形实施，在对位环10材料线性膨胀系数小于谐振腔的材料线性膨胀系数时，降低恒温室23温度直到可以方便的取下对位环10。保持系统常开运行，尤其是气路系统稳定的流量，以免污染谐振腔体，至此，闭合工作全部结束。
该判别方法的原理是：利用谐振腔体的趋肤效应，基于半宽度与半径的数理关系，在稳定的温度、压力以及恒定流量的环境条件下，等间隔施加扭矩(推荐扭矩间隔为包含但不限于1cNm～10cNm之间的任意值)，通过矢量网络扫频测量，计算每次施加扭矩后的相对过量半宽度(理论半宽度和实验半宽度偏差与谐振频率的比值)，表征上半球12-1、下半球12-2两赤道面间隙25(图3中)的变化。随着施加扭矩的增加，两赤道面间隙25逐渐减小，理论半宽度和实验半宽度也逐渐接近，直到某一扭矩后再施加扭矩时，相对过量半宽度变化甚微或不再变化时，优选连续3次施加扭矩后，相对过量半宽度波动在±5ppb(1ppb＝10-9)以内为量化判断依据，说明两赤道面间隙25已经非常接近或达到极限状态，不在发生明显变化，此时，可认为谐振腔12正确闭合，停止施加扭矩，此后，改变恒温室23温度，取下对位环10。再施加过量的扭矩则容易引起谐振腔体过量变形，出现过闭合态，导致形状参数大幅偏离设计值，从而影响谐振频率测量精度。图2为实施该判别方法的简要流程图。图3为谐振腔的正视图。
该方法是一种具有普适性的微波谐振腔闭合判别方法，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的理论计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测，从而指导闭合谐振球腔，旨在为谐振腔的成功闭合提供更为普适的判别依据，以提高微波谐振频率的测控精度。为了评判不同方法的闭合品质，使用完美闭合指数(即闭合谐振腔形状参数与设计值之间的相对误差)这一量化指标，表征了实际闭合形状偏离理论设计的程度，新的判断方法较其它方法具有明确的量化指标和物理意义，更具普适性且有更高的完美闭合指数。
本发明基于微波相对过量半宽度这一变量的变化实现对上、下半球赤道面间隙的表征监测，闭合过程参数变化可视化，能及时做出合理判断，闭合判断新方法对准球形结构具有普适性；采用完美闭合指数这一评价指标，有利于不同方法间的量化比较。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种准球形谐振腔闭合判别方法，其特征在于：
步骤一，将所述准球形谐振腔放置在恒温室中，准球形谐振腔通过支架放置在光学平台上，利用对位环对准球形谐振腔的上半球和下半球进行重合对位；
步骤二，完成两半球的重合对位后，向准球形谐振腔通入稳定流量的高纯低温气体，完成实验系统的连接和调试；
步骤三，进行准球形谐振腔闭合工作，通过微波信号的精准测控与相对过量半宽度的精确计算，实现闭合过程中上、下半球赤道面间隙的精确监测，所述相对过量半宽度为理论半宽度和实验半宽度偏差与谐振频率的比值，基于相对过量半宽度的变化趋势，从而实现准球形谐振腔闭合的精准判别。
2.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：所述谐振腔包括微波天线，所述微波天线为直线天线或环形天线。
3.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：所述步骤三中测量包含TM11、TM12、TM13、TM14、TM15、TM16、TM17、TM18的单个或多个电磁模式。
4.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：所述步骤三中采用相对过量半宽度的变化作为闭合的判别依据。
5.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：所述步骤三中采用闭合完美指数作为评价指标，所述闭合完美指数为闭合谐振腔形状参数与设计值之间的相对误差。
6.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：在实施该方法过程中，在稳定的温度、压力以及恒定流量的环境条件下，等间隔施加扭矩，扭矩间隔为1cNm-10cNm之间的任意值。
7.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：在实施该方法过程中，气路系统持续向谐振腔提供微量恒定流量的高纯气体。
8.如权利要求7所述的闭合判别方法，其特征在于：所述气体选自高纯气体4He，或3He、氩气、氖气、或氮气低温气体，气体流量为0-200sccm之间的任意值。
9.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：利用对位环对谐振腔上半球和下半球的赤道面进行重合定位。
10.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：谐振腔采用高导无氧铜金属材料、或蓝宝石非金属材料、或铜氧化合物、或铁基、镍基超导材料或选择上述材料组成的复合结构；金属材料谐振腔的内壁镀金、银的高导金属层。
11.如权利要求1所述的闭合判别方法，其特征在于：所述恒温室在10℃-50℃控温精度小于0.5℃，室内常压条件下压力波动小于5 kPa。
12.如权利要求9所述的闭合判别方法，其特征在于：所述对位环材料的线性膨胀系数大于谐振腔材料的线性膨胀系数。
13.如权利要求9所述的闭合判别方法，其特征在于：所述对位环材料的线性膨胀系数小于谐振腔材料的线性膨胀系数。
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