CN112332840B - 基于微带线结构的超小型原子频标微波腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，包括腔体，腔体一端为出光口，另一端为进光口，腔体外表面周向设有线槽，C场线圈绕制在线槽中，腔体的出光口设置有端盖，腔体的进光口设置有底盖，底盖上开设有进光孔，腔体内设置有原子泡，腔体内设置有微带线基片，微带线基片包括电介质基板和设置在电介质基板上的金属导体，电介质基板和腔体内壁粘接，金属导体朝向原子泡。本发明易加工、装配简单、场型分布好、体积小、成本低的优点，适用于高性能超小型原子频标的大批量生产。
Description
技术领域
本发明为原子频标领域，更具体涉及基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，这种结构的微波腔具有结构简单、易于加工装配、便于大规模生产的特点，适用于高集成度的超小型原子频标中。
背景技术
随着社会科技的发展，在人类社会活动和日常生活中许多重要领域都需要准确而稳定的时间频率基准。原子频标（原子钟）是利用原子或者离子内部稳定的能级间的跃迁频率制得的高可靠性频率源，极大地提高了时间频率测量的准确度和稳定度。得益于原子物理和集成电路技术的飞速发展，原子频标技术逐渐成熟，越来越多性能指标更好、集成度水平更高的原子钟逐步取代了传统的机械时钟和晶体振荡器，在授时守时、导航定位、交通电力、高速通信、精密测量等领域中发挥着重要作用。
原子频标通常包括物理系统和电路系统两部分，由物理系统提供稳定的参考频率，电路系统通过电子学手段将晶体振荡器的输出频率锁定在原子内部稳定的跃迁频率上，使晶体振荡器最终的输出频率具有与原子跃迁频率同样的稳定度。其中物理系统提供微波波段的标准频率，起鉴频器的作用，是原子频标的核心，主要包括抽运光源、微波谐振腔、原子泡、光电探测器等主要组件。其中，原子泡位于微波谐振腔内，是产生原子跃迁的场所，微波谐振腔用来存储微波能量，激励原子泡中的原子发生共振跃迁。微波腔的尺寸、结构、谐振模式和场型分布等特性决定了参与共振跃迁的原子数的多少，在很大程度上决定了原子频标的性能。与此同时，由于物理系统占据原子频标整机的大部分体积，而微波谐振腔又是物理系统中最主要的结构组件，因此物理系统的体积主要取决于微波腔的小型化、集成化程度，进而影响了原子频标整机的小型化。
目前原子频标微波腔主要有标准腔和非标准腔两类。常用的标准腔主要包括TE011和TE111这两种圆柱腔，这两类微波腔体积较大，不利于原子频标的小型化。采用TE101模式可以获得体积最小的标准腔，通过采用TE101模式的标准矩形腔结构，在平行于Z轴方向填充一定厚度的电介质板实现。相关内容可参考文献Tae M. Kwon.Cavity resonator foratomic frequency standard. US Patent : 4495478. 1985。这种结构的腔特点是体积小，但微波磁场均匀的部分有限。
为了有效减小微波腔的体积，同时获得较好的腔内场型分布，发展了各种非标准结构的微波腔，主要包括磁控管腔、开槽管腔和同轴TEM腔等。这类腔的共同特点是腔内结构构成集总L-C模型，由集总参数来决定谐振频率，这与标准腔的仅由腔体尺寸来决定谐振频率的方式相比更易实现腔体的小型化。磁控管腔由文献G.Mileti, I.Ruedi andH.Schweda, Proc.7th EFTF, 515(1992)描述，开槽管腔由文献GanghuaMei,Miniaturedmicrowave cavity for atomic frequencystandard.US Patent:6225870B1,2001描述，这两类微波腔的特点是在腔体内固定有若干对称分布的金属极片，利用金属极片和极片间的窄槽形成集总L-C结构，腔频主要由极片和极片间隙的尺寸决定。此类微波腔的磁场场型为类TE011模式，利于激发原子产生跃迁信号。但由于微波腔体积的减小，极片和窄槽的物理尺寸会随之急剧减小，腔频随尺寸的变化也会十分敏感，这就对结构件的加工精度提出了很高的要求。在实际操作时，往往会因为加工误差导致结构件的实际腔频与设计要求相差较远，同时难以保证较好的一致性，这对于实现小型化原子频标的批量生产是不利的。同轴TEM腔由文献J.邓,超小型微波腔,CN1452798A,2003描述，这是一种基于同轴振荡器原理的非标准腔，是由伸入腔内的导电杆与杆到腔壁之间的间隙所构成的集总L-C结构产生谐振，腔频主要由导电杆的几何尺寸和其到腔壁的距离决定，基本不受限于腔体的大小和形状，腔体结构相较磁控管腔和开槽管腔也更为简单，原则上可以制得体积非常小的微波腔。但由于由同轴线所产生的电磁场主要围绕着同轴线分布，同轴线位于腔体一端，而原子气室位于腔体另一端，气室内场分布的均匀性十分有限，不利于获得高强度的原子跃迁信号，所以不适于高性能原子频标的研制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，将微带线基片加载到标准矩形波导内，利用微带线表面的平面传输波磁场方向基本与微带线表面平行且均匀性良好的特点，设计出一种全新结构的微波谐振腔，具有易加工、装配简单、场型分布好、体积小、成本低的优点，适用于高性能超小型原子频标的大批量生产。
微带线是电介质基板上的单一导体带构成的平面微波传输线，其几何结构如图1（a）所示，通常是将宽度为W的金属导体印制在厚度为d、相对介电常数为ε r 的接地的电介质基板上。微波信号在金属导体表面与电介质基板中以类TEM模式传输，电力线H和磁力线E均与微波的传播方向垂直，其场力线的分布如图1（b）所示。从图中可以看出，微波电力线从金属导体上、下表面出发，于接地平面截止；磁力线E与电力线H垂直，围绕金属导体分布于金属导体表面之上的空气区域，再穿过导体覆盖着的介质区域形成闭合环状分布。微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高、一致性好、制造成本低等优点。但是利用微带线传输平面波的损耗较大，可将其至于金属盒体中形成谐振腔，采用合适的方式将微波能量耦合进腔，得到驻波场。利用金属盒体内壁对微波场的囚禁作用，减小微波损耗，提高Q值。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，包括腔体，腔体一端为出光口，另一端为进光口，腔体的内空为长方体，腔体外表面周向设有线槽，C场线圈绕制在线槽中，腔体的出光口设置有端盖，端盖内表面上固定有光电探测器，腔体的进光口设置有底盖，底盖上开设有进光孔，腔体内设置有原子泡，腔体内设置有微带线基片，微带线基片包括电介质基板和设置在电介质基板上的金属导体，电介质基板和腔体内壁粘接，金属导体朝向原子泡。
基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，还包括耦合探针为同轴电缆，同轴电缆一端线芯裸露，且线芯焊接在微带线基片的金属导体上，同轴电缆另一端安装在耦合探针安装孔内并伸出腔体外，耦合探针安装孔位于腔体与微带线基片安装壁相邻的侧壁，且靠近出光口一端，同轴电缆的金属屏蔽层通过导电胶粘接在耦合探针安装孔。
如上所述的同轴电缆一端线芯与金属导体焊接连接，焊点位于金属导体靠近出光口一侧的边缘。
如上所述的腔体与耦合探针安装孔相对的侧壁上与耦合探针安装孔相对的位置开有调谐螺杆安装孔，调谐螺杆设置在调谐螺杆安装孔内。
如上所述的原子泡包括原子泡本体和泡尾，泡尾沿光轴方向伸出，泡尾的根部位于原子泡本体一端端面边缘的位置，泡尾根部靠近耦合探针。
如上所述的微带线基片的金属导体为矩形，金属导体上开设有垂直于光轴方向的缺槽和沿光轴方向的缺槽。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、腔体外形为长方体，两端开口，内空为形状规则的长方体，加工难度小，易控制精度以保证一致性。
2、微带线基片的电介质基板多采用Al2O3陶瓷等高介电常数材料制得，金属导体可为任意形状，多为铜或金箔，厚度一般不超过几十μm，采用印制板工艺制得，可以很好地保证加工精度和一致性。
3、原子泡采用密封透明的长方体玻璃泡，几乎能够填满整个腔体内部区域，相较采用传统圆柱状原子泡，可以增大原子蒸气活动的区域，有助于获得高强度的原子跃迁信号，这对提升原子频标的性能是有利的。泡尾沿光轴方向伸出，其根部位于一端泡面靠近边缘的位置，不会遮挡光路，同时避免了在腔体上额外增加安装泡尾的结构，使得腔体的结构非常简洁。
4、腔体内微波场磁力线分布于微带线基片金属导体表面之上的区域，方向沿光轴方向，基本与导体表面平行。由于原子泡正好位于金属导体的正上方，处于磁力线分布的范围内，所以在原子泡内发生原子共振跃迁的区域，微波场磁力线具有较好的均匀性，十分有利于激发铷原子发生钟跃迁，进而获得高信噪比的微波探寻信号，这对研制高性能的超小型铷原子频标是有益的。
5、耦合探针为同轴电缆，其一端线芯裸露，焊接在微带线基片的金属导体上，焊点位于金属导体靠近出光口一侧的边缘，避免与原子泡形成物理干涉。另一端安装在腔体与微带线基片安装壁相邻的侧壁的耦合探针安装孔内，并伸出腔体外，使用导电胶将电缆的金属屏蔽层粘接在探针安装孔处，使金属屏蔽层与腔体形成良好的电接触，同时起到给导线加固的作用，保证耦合探针的机械牢固性。
6、调谐螺杆设置在调谐螺杆安装孔内，可实现微波腔谐振频率的微调。微波腔的谐振频率主要由腔体大小和微带线基片上金属导体的形状尺寸决定，但将一根金属棒靠近微带线金属导体表面时，会对导体表面的磁力线分布造成微扰，故可通过旋进或旋出调谐螺杆而改变其在腔内部分的长度，以实现谐振频率的微调。
由以上特点可以看出，本申请所设计的微波腔，与磁控管腔和开槽管腔相比腔体结构非常简洁，与同轴TEM腔相比原子泡内场型分布更加优越，体积小，成本低，适用于高性能超小型原子频标的大批量生产。
附图说明
图1（a）为微带线的几何结构示意图；图1（b）为微带线的场力线的分布示意图；
图2（a）为本发明的立体结构示意图；图2（b）为本发明的剖面示意图。
图3为本发明的爆炸示意图。
图4（a）为腔体的立体示意图；图4（b）为腔体的剖面示意图。
图5为微带线基片的结构图。
图6（a）为沿光轴方向、腔体与微带线基片安装侧壁平行平面的微波场型图；图6（b）为沿光轴方向、腔体与微带线基片安装侧壁垂直平面的微波场型图。
图7（a）为第一种实施方式的金属导体的结构示意图；
图7（b）为第二种实施方式的金属导体的结构示意图；
图7（c）为第三种实施方式的金属导体的结构示意图；
图7（d）为第四种实施方式的金属导体的结构示意图；
图7（e）为第五种实施方式的金属导体的结构示意图；
图7（f）为第六种实施方式的金属导体的结构示意图；
其中：1-腔体；1a-出光口；1b-线槽；2-微带线基片；2a-金属导体；2b-电介质基板；2c-垂直于光轴方向的缺槽；2d-沿光轴方向的缺槽；3-原子泡；4-耦合探针；5-调谐螺杆；6-端盖；7-光电探测器；8-底盖；9-C场线圈。
具体实施方法
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，包括腔体1，腔体1一端为出光口1a，另一端为进光口，腔体1的内空为长方体，腔体1外表面周向设有线槽1b，C场线圈9绕制在线槽1b中，腔体1的出光口1a设置有端盖6，端盖6内表面上固定有光电探测器7，腔体1的进光口设置有底盖8，底盖8上开设有进光孔，腔体1内设置有原子泡3，腔体1内设置有微带线基片2，微带线基片2包括电介质基板2b和设置在电介质基板2b上的金属导体2a，电介质基板2b和腔体1内壁粘接，金属导体2a朝向原子泡3。
基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，还包括耦合探针4为同轴电缆，同轴电缆一端线芯裸露，且线芯焊接在微带线基片2的金属导体2a上，同轴电缆另一端安装在耦合探针安装孔内并伸出腔体1外，耦合探针安装孔位于腔体1与微带线基片2安装壁相邻的侧壁，且靠近出光口1a一端，同轴电缆的金属屏蔽层通过导电胶粘接在耦合探针安装孔。
同轴电缆一端线芯与金属导体2a焊接连接，焊点位于金属导体2a靠近出光口1a一侧的边缘。
腔体1与耦合探针安装孔相对的侧壁上与耦合探针安装孔相对的位置开有调谐螺杆安装孔，调谐螺杆5设置在调谐螺杆安装孔内。
原子泡3包括原子泡本体和泡尾，泡尾沿光轴方向伸出，泡尾的根部位于原子泡本体一端端面边缘的位置，泡尾根部靠近耦合探针4。
微带线基片2的金属导体2a为矩形，金属导体2a上开设有垂直于光轴方向的缺槽2c和沿光轴方向的缺槽2d。
腔体1由铝合金材料制得，外形尺寸为15mm×7.6mm×23mm的长方体，两端开口，一端为出光口1a，另一端为进光口，呈筒状，中空为矩形波导，尺寸为10.6mm×5.8mm×23mm。腔体1外表面周向设有线槽1b，C场线圈9直径为0.27mm，密绕在线槽1b内，用于产生平行于光轴方向的稳定的静磁场，自进光口至出光口1a的方向为光轴方向，为原子跃迁提供量子化轴；
微带线基片2包括电介质基板2b和设置在电介质基板2b上的金属导体2a，电介质基板2b上印制有金属导体2a，本实施例中的金属导体2a为铜，形状为7mm×13mm的矩形，厚12μm；电介质基板2b为Al2O3陶瓷，厚度为0.5mm，形状为10mm×21.5mm的矩形。取适当硅胶涂在微带线基片2的另一侧表面，将微带线基片2粘接在腔体1内表面，金属导体2a朝向腔体1内的原子泡3；金属导体2a的宽度方向垂直于光轴方向，金属导体2a的长度方向平行于光轴方向。
原子泡3为密封透明的长方体玻璃泡，原子泡3包括原子泡本体和泡尾，泡尾沿光轴方向伸出，泡尾的根部位于原子泡本体一端端面边缘的位置，泡尾朝向出光口。本实施例中的原子泡3尺寸为10mm×5mm×17mm，原子泡3通过硅胶粘接在腔体1内。泡尾长4.5mm，泡尾根部靠近耦合探针4，泡尾直径2.5mm，避免阻挡光路。原子泡3内充有工作原子铷金属蒸气和一定气压的缓冲气体；
耦合探针4为同轴电缆，同轴电缆一端线芯裸露，且线芯焊接在微带线基片2的金属导体2a上，焊点位于金属导体2a靠近出光口1a一侧的边缘，避免与原子泡形成物理干涉；同轴电缆另一端安装在耦合探针安装孔内，并伸出腔体1外，耦合探针安装孔位于腔体1与微带线基片2安装壁相邻的侧壁，靠近出光口1a一端。使用导电胶将同轴电缆的金属屏蔽层粘接在耦合探针安装孔处，使同轴电缆的金属屏蔽层与腔体1形成良好的电接触，同时起到给同轴电缆加固的作用，保证耦合探针4的机械牢固性；
腔体1与耦合探针安装孔相对的侧壁与耦合探针安装孔相对的位置开有调谐螺杆安装孔，调谐螺杆安装孔为螺纹孔，调谐螺杆5为带螺纹的金属圆棒，通过在调谐螺杆安装孔中旋进旋出，来改变调谐螺杆5伸入腔体1内的长度，从而微调微波腔的谐振频率；
端盖6由铝合金材料制得，位于腔体1的出光口1a处，通过两个M1.6的螺钉固定在腔体1的出光口1a的端面上；端盖6内表面上固定有光电探测器7，用于探测光信号；底盖8也由铝合金材料制得，开有进光孔，底盖8固定在腔体1的进光口的端面上，底盖8与端盖6、腔体1一道形成金属封闭腔。
图6（a）和图6（b）给出了基于微带线结构的超小型原子频标微波腔的腔体内沿光轴方向两个面的微波场型图。从图中可以看出，腔体1内微波场磁力线分布于微带线基片2的金属导体2a表面之上的区域，基本与金属导体2a表面平行。由于金属导体2a朝向腔体1内的原子泡3，原子泡3处于磁力线分布的范围内，所以在原子泡内发生原子共振跃迁的区域，微波场磁力线沿轴向分布，且具有较好的均匀性，十分有利于激发铷原子发生钟跃迁，进而获得高信噪比的微波探寻信号，这对研制高性能的超小型铷原子频标是有益的。事实上，采用本实施例中的设计方案，可以制得高度不到1cm的超小型铷原子频标样机，其短期频率稳定度可达到优于
的水平，
为测量时间。
由以上实施例可知，本发明提供的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，结合了集成电路领域中的微带线技术，是一种全新结构的微波谐振腔。具有机械加工难度小，装配工艺简单，腔频易于调节，场型分布好，体积小，成本低的优点，适用于高性能超小型原子频标的大批量生产。
以上仅提供一种可选方案，实际应用中，腔体尺寸可依据所需谐振频率做调整，微带线基片2的金属导体2a形状也可根据具体情形做相应设计，本实施例中微带线基片2的金属导体2a为矩形，图7（a）~（f）为其中几种可行但不仅限于此的设计方案，金属导体2a上开设有垂直于光轴方向的缺槽，以及还设有沿光轴方向的缺槽。无论金属导体的形状是否为完整、规则的矩形，方位是否居中，只要是采取在矩形金属盒体内由类似这种在电介质基板上敷镀金属导体的微带线来产生微波场的设计，都属于本发明所申请保护的范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，包括腔体（1），其特征在于，腔体（1）右端为出光口（1a），左端为进光口，腔体（1）的外形和内空均为长方体，腔体（1）侧面设有线槽（1b），C场线圈（9）绕制在线槽（1b）中，腔体（1）的出光口（1a）设置有端盖（6），端盖（6）内表面上固定有光电探测器（7），腔体（1）的进光口设置有底盖（8），底盖（8）上开设有进光孔，腔体（1）内设置有原子泡（3），腔体（1）内设置有微带线基片（2），微带线基片（2）包括电介质基板（2b）和设置在电介质基板（2b）上的金属导体（2a），电介质基板（2b）和腔体（1）内壁粘接，金属导体（2a）朝向原子泡（3）。
2.根据权利要求1所述的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，其特征在于，还包括耦合探针（4）为同轴电缆，同轴电缆一端线芯裸露，且线芯焊接在微带线基片（2）的金属导体（2a）上，同轴电缆另一端安装在耦合探针安装孔内并伸出腔体（1）外，耦合探针安装孔位于腔体（1）与微带线基片（2）安装壁相邻的侧壁，且靠近出光口（1a）一端，同轴电缆的金属屏蔽层通过导电胶粘接在耦合探针安装孔。
3.根据权利要求2所述的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，其特征在于，所述的同轴电缆一端线芯与金属导体（2a）焊接连接，焊点位于金属导体（2a）靠近出光口（1a）一侧的边缘。
4.根据权利要求2所述的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，其特征在于，腔体（1）与耦合探针安装孔相对的侧壁且与耦合探针安装孔相对的位置开有调谐螺杆安装孔，调谐螺杆（5）设置在调谐螺杆安装孔内。
5.根据权利要求4所述的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，其特征在于，原子泡（3）包括原子泡本体和泡尾，泡尾沿光轴方向伸出，泡尾的根部位于原子泡本体一端端面边缘的位置，泡尾根部靠近耦合探针（4）。
6.根据权利要求1所述的基于微带线结构的超小型原子频标微波腔，其特征在于，微带线基片（2）的金属导体（2a）为矩形，金属导体（2a）上开设有垂直于光轴方向的缺槽（2c）和沿光轴方向的缺槽（2d）。
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