CN112234354A - 一种改进的原子接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进的原子接收天线。技术方案是：原子接收天线包括波导缝隙阵列，波导缝隙阵列包括两层，其中一层为缝隙接收阵列，另外一层为耦合波导，原子气室嵌置在耦合波导中。本发明利用波导缝隙阵列，将现有的原子接收天线的原子气室嵌入其中，可以固定原子气室，以达到抗机械扰动的目的。从而避免产生电信号的干扰，提高测量精度。相比于现有的原子接收天线，本发明还能够有效抑制不感兴趣方向的杂波干扰，使接收天线的方向性更强，从而可增强探测距离。

Description

一种改进的原子接收天线
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种改进的基于里德堡原子的接收天线。
背景技术
原子接收天线是指基于里德堡原子的EIT-AT(Electromagnetically InducedTransparency，电磁感应透明-AT)效应制成的接收天线，这种接收天线对微波电场具有高敏感性，近几年在微波探测领域引起了广泛的关注，有望替代现有微波天线。里德堡原子能够利用EIT-AT效应进行基于国际单位标准下的微波电场强度的测量，无需利用其他标准元件校准。采用原子接收天线接收电场信号时，在电场中不存在任何固体或者液体金属物质，所以原子接收天线对电场的干扰可以降到最小【1】。
现有的原子接收天线包括探测激光器1，耦合激光器2，高反射率反射镜3，双色镜4，原子气室5，光电探测器6，参见文献【2】。然而这种原子接收天线存在问题是，使用暴露在外部环境中的原子气室5进行回波探测，容易受到来自空间各个方向的电磁干扰；此外，原子气室5一般放置在探测激光器1和耦合激光器2的光束穿过的地方，不易固定。但是在使用过程中，需要将原子气室5 固定，以此达到抗机械扰动；并对不感兴趣的空间方向的杂波进行屏蔽，以及增强对空间中感兴趣方向电场的探测能力。
发明内容
有鉴于此，针对上述问题，本发明提供一种改进的原子接收天线，能够有效抑制不感兴趣方向的杂波干扰，使接收天线的方向性更强，从而可增强探测距离。
本发明的技术方案是，一种改进的原子接收天线，其特征在于，包括波导缝隙阵列。
进一步地，原子气室5嵌置在波导缝隙阵列中。
进一步地，波导缝隙阵列包括两层，其中一层为缝隙接收阵列7，另外一层为耦合波导8，原子气室5嵌置在耦合波导8中。
相比于现有的原子接收天线，本发明的有益效果是：
1.本发明利用波导缝隙阵列，将现有的原子接收天线的原子气室嵌入其中，可以固定原子气室，以达到抗机械扰动的目的。从而避免产生电信号的干扰，提高测量精度。
2.相比于暴露在外界环境中的原子气室，即裸原子气室，嵌置在波导缝隙阵列的原子气室可以对测量中感兴趣方向的相同强度的微波信号产生更强烈的响应，同时更好地屏蔽来自于测量中不感兴趣的方向的杂波。可以使接收天线的方向性更强，以此增大本发明中原子接收天线的探测距离。
附图说明
图1是本发明提供的一种改进的原子接收天线的整体结构示意图；
图2是本发明某一具体实施方式采用的缝隙接收阵列7的正面图和背面图；
图3是本发明某一具体实施方式提供的原子接收天线；
图4是本发明某一具体实施方式的辐射方向图；
图5是受到相同强度的来自于某一方向的平面波照射条件下，利用本发明的具体实施方式得到的电场强度分布曲线。
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说明。
本发明提供的一种改进的原子接收天线，如图1所示，包括：现有的原子接收天线和波导缝隙阵列。现有的接收天线即包括探测激光器1，耦合激光器2，高反射率反射镜3，双色镜4，原子气室5，光电探测器6。探测激光器1和耦合激光器2分别用于向原子气室5内提供共线反向的探测激光和耦合激光。高反射率反射镜3位于探测激光器1的出光口前面，用于反射探测激光器1发出的探测光，引导其进入原子气室5。双色镜4位于耦合激光器2的出光口前面，用于透射耦合激光器2发出的耦合光，并引导透射出原子气室5的探测激光信号进入光电探测器6。
所述波导缝隙阵列包括两层，其中一层为缝隙接收阵列7，另外一层为耦合波导8，原子气室5嵌置在耦合波导8中。如图2(a)所示，缝隙接收阵列7 中包括若干阵列单元，每个阵列单元正面开有若干个交错排列的缝隙，用于接收来自空间中的微波信号，本图的实施方式中缝隙接收阵列7包括8个阵列单元，每个阵列单元包括10个缝隙。每个阵列单元背面开有一个缝隙用于向耦合波导8耦合微波信号能量，如图2(b)所示，缝隙中心对准阵列单元背面中心。耦合波导8的一端内部嵌有原子气室5，耦合波导8开有若干个缝隙，每个缝隙对准一个缝隙接收阵列7的阵列单元背部的缝隙，使两个缝隙完全重合，用于接收来自于相对应的阵列单元的微波信号能量，在耦合波导8的波导壁上开有 A、B两个小孔，使得探测激光和耦合激光可以进入原子气室5。
使用时，将微波源9放置于耦合波导8嵌有原子气室5的一端附近，用于向嵌入在耦合波导8内的原子气室5提供恒定的微波信号，使入射到原子气室5 中的探测激光和耦合激光将原子气室5中的里德堡原子激发到里德堡态，产生 EIT-AT效应。波导缝隙阵列的缝隙接收阵列7接收来自空间中的目标信号，并将其耦合至波导阵列8，波导阵列8将目标信号传输至原子气室5处，在原子气室5中里德堡原子与接收到的目标信号相互作用，使探测激光的透射强度发生改变。发生改变的探测激光透射出原子气室5，经过双色镜4引导，进入光电探测器6，经过光电转换，得到包含目标信息的电信号。
下面对该发明的有益效果进行实验检验，在实验中，采用的本发明提供的原子接收天线的具体实施方式如下：为方便描述，设耦合波导8沿Y方向放置，缝隙接收阵列7沿X方向放置，如图3所示。缝隙接收阵列7的阵列单元采用标准的BJ100型号波导。其中心工作频率为10GHz。实验中，缝隙接收阵列7 包括8个阵列单元，每个阵列单元正面开有10个缝隙，缝隙尺寸为 14.4mm×2.7mm，沿X方向相邻缝隙中心之间间距为19.89mm。阵列单元缝隙中心离开本阵列单元波导中线的距离依次为：-1.365mm、2.335mm、-2.701mm、 2.971mm、-3.037mm、3.037mm、-2.971mm、2.701mm、-2.335mm、1.365mm。上述正号和负号表示阵列单元缝隙位于波导中线的两侧。嵌入耦合波导8中的原子气室5的尺寸为11.2mm×11.2mm×11.2mm，壁厚为1mm。耦合波导8为长方体空腔，横截面尺寸为19.15mm×11.2mm，壁厚为1.27mm。实验中耦合波导8上开有8个缝隙，每个缝隙的尺寸为14.4mm×2.7mm，相邻缝隙中心之间间距为24.13mm。每个缝隙中心处于耦合波导8中线上，沿y轴方向缝隙相对于y轴依次偏转：-5°、10°、-15°、20°、-20°、15°、-10°、5°。A、B 两孔半径为0.5mm。
首先检验上述实施方式的原子接收天线的辐射性能，其辐射方向图如图4 所示，虚线C为E面方向图，实线D为H面方向图，可以看出该天线有很好的方向性，天线增益可以达到25.42dB。
为了与现有的原子接收天线进行比较，又进行下述实验，首先，目标信号为均匀平面电磁波，辐射的强度为1V/m，入射方向为图3所示的Z轴反方向；同时设本发明的天线的主瓣方向为Z轴方向。利用现有原子接收天线和本发明得到的电场强度如图5(a)，实线E表示本发明，虚线F表示现有原子接收天线。图中横坐标表示，以探测激光与原子气室5内壁交点为零点，沿X轴方向的距离；纵坐标表示电场强度。从图5(a)中可以看出，嵌置在波导缝隙阵列的原子气室中场的最小值为11.63V/m，最大值为15.33V/m。裸原子气室中场的最小值为0.97V/m，最大值为1.03V/m。可以证明，本发明对感兴趣的方向的电磁波产生更强烈的响应。
为了与现有的原子接收天线进行比较，又进行下述实验，首先，目标信号为均匀平面电磁波，辐射的强度为1V/m，入射方向为图3所示的X轴反方向；同时设本发明的天线的主瓣方向为Z轴方向。利用现有原子接收天线和本发明得到的电场强度如图5(b)，实线G表示本发明，虚线H表示现有原子接收天线。图中横坐标表示，以探测激光与原子气室5内壁交点为零点，沿X轴方向的距离；纵坐标表示电场强度。从图5(b)中可以看出，嵌置在波导缝隙阵列的原子气室中场的最小值为0.04V/m，最大值为0.05V/m。裸原子气室中场的最小值为0.58V/m，最大值为0.66V/m。可以证明，本发明可以更好地屏蔽来自于测量中不感兴趣的方向的杂波。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
参考文献
【1】杨文广.基于里德堡原子EIT-AT效应的微波电场测量[D].2016.
【2】梁洁,廖开宇,张新定,等.基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及测速方法：CN 110488266 A[P].2019-11-22。

Claims (6)

1.一种原子接收天线，其特征在于，包括波导缝隙阵列。
2.根据权利要求1所上述的原子接收天线，其特征在于，原子气室(5)嵌置在波导缝隙阵列中。
3.根据权利要求2所上述的原子接收天线，其特征在于，波导缝隙阵列包括两层，其中一层为缝隙接收阵列(7)，另外一层为耦合波导(8)，原子气室(5)嵌置在耦合波导(8)中。
4.根据权利要求3所上述的原子接收天线，其特征在于，缝隙接收阵列(7)中包括若干阵列单元，每个阵列单元正面开有若干个交错排列的缝隙，用于接收来自空间中的微波信号。
5.根据权利要求4所上述的原子接收天线，其特征在于，耦合波导(8)的一端内部嵌有原子气室(5)，耦合波导(8)开有若干个缝隙，每个缝隙对准一个缝隙接收阵列(7)的阵列单元背部的缝隙。
6.根据权利要求5所上述的原子接收天线，其特征在于，在耦合波导(8)的波导壁上开有A、B两个小孔，使得探测激光和耦合激光可以进入原子气室(5)。
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