CN113985150B - 一种基于原子相干效应的空口测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于原子相干效应的空口测试系统及方法，该方法包括：在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔均匀布置多个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列，环形原子探头阵列通过光纤连接到光纤分束器上，待测天线放置在转台上并保证待测天线的相位中心在扫描支架的圆心。待测天线作为发射天线，原子微波电场计依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集。控制计算机控制天线转台旋转待测天线，完成三维球面近场数据采集；将采集到的球面近场数据进行近远场变换，就能得到三维远场数据。本发明可自校准，对待测电场无干扰，灵敏度高及可测量频带宽，将极大提高空口测试的精度并减少测试的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电磁兼容测试技术领域，具体涉及一种基于原子相干效应的空口测试系统及方法。
背景技术
近年来，随着移动通信网络的迅猛发展，推动了移动通信天线技术的快速发展，因此这就给传统天线测量场地的测试功能、测试精度及测试效率带来了巨大的挑战。而常规的远场测量方法要求测量场地大，测试速度慢，建设成本高，无法满足现代天线的测试需求。此外，对于现代很多的通信设备而言，只有采用一体化的空口测试方法测量出的结果才能有效反应其性能指标。因此诞生了多探头球面近场、单探头近场、紧缩场等测试系统来对复杂的通信设备进行测试，而多探头球面近场测试方法以测试效率高、精度高、测试占地面积小备受推崇。
但是，目前多探头球面近场测试系统中采用的探头包含金属结构，会对待测电场产生干扰，而且它在使用前需要校准，精度不高，灵敏度低，能测量的频带窄；有时在测试不同频点的设备时还需更换探头，导致测试成本高。因此，实有必要设计出一种全新的探头以解决上述问题，进一步提高空口测试的精度和降低系统的测试成本。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于原子相干效应的空口测试系统及方法，利用棱镜型原子天线探头具有自校准、非金属材质对待测电场干扰小、精度高、灵敏度高、可测量频带宽的优点，实现提高空口测试精度和减少测试成本的目的。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
第一方面，本发明提供一种棱镜型原子天线探头，包括碱金属原子气室、棱镜、第一带尾纤插芯的光纤、第二带尾纤插芯的光纤、第一渐变折射率透镜、第二渐变折射率透镜、第一小玻璃套管、第二小玻璃套管、第一大玻璃套管、第二大玻璃套管和保护外壳；
所述第一带尾纤插芯的光纤和第一渐变折射率透镜固定在第一小玻璃套管内；
所述第一小玻璃套管固定在第一大玻璃套管内；
所述第二带尾纤插芯的光纤和第二渐变折射率透镜固定在第二小玻璃套管内；
所述第二小玻璃套管固定在第二大玻璃套管内；
所述第一大玻璃套管与棱镜的上部固定连接；
所述碱金属原子气室一侧与第二大玻璃套管固定连接，另一侧与棱镜的下部固定连接；
所述碱金属原子气室、棱镜、第一大玻璃套管、第二大玻璃套管固定于保护外壳内；
探测光经第一带尾纤插芯的光纤传输后经第一渐变折射率透镜聚焦后经棱镜反射进碱金属原子气室内，同时耦合光经第二带尾纤插芯的光纤传输后经第二渐变折射率透镜聚焦后直接入射到碱金属原子气室内，两束光在碱金属原子气室内重合且传播方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口。
进一步地，所述棱镜为三棱镜或梯形棱镜，用以反射激光。
进一步地，所述保护外壳由铁氟龙材料制成。
第二方面，本发明提供一种基于原子相干效应的空口测试系统，包括环形原子探头阵列、光纤分束器、原子微波电场计、信号源、待测天线、控制计算机和天线转台；
多个棱镜型原子天线探头以特定角度间隔均匀布置在圆环形扫描支架上组成环形原子探头阵列，用以接收信号；光纤分束器用以将环形原子探头阵列连接到原子微波电场计；原子微波电场计为环形原子探头阵列提供特定频率的激光以及用来进行数据采集；信号源用以为待测天线提供信号；控制计算机用以控制天线转台旋转待测天线。
进一步地，所述环形原子探头阵列为16个所述棱镜型原子天线探头组成的环形原子探头阵列。
第三方面，本发明提供一种基于原子相干效应的空口测试方法，包括如下步骤：
步骤301、原子微波电场计提供激光给环形原子探头阵列使其产生电磁诱导透明窗口；
步骤302、信号源提供信号给待测天线，待测天线发射信号，原子微波电场计依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集；
步骤303、控制计算机控制天线转台旋转待测天线，原子微波电场计再依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集，最终完成三维球面近场数据的采集；
步骤304、将采集到的球面近场数据进行近远场转换，得到三维远场数据。
进一步地，步骤301之前，还包括：
步骤300、在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔均匀布置多个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列；环形原子探头阵列通过光纤连接到光纤分束器，待测天线放置在转台上并保证它的相位中心在圆环形扫描支架的圆心。
进一步地，步骤301具体包括：
原子微波电场计通过光纤分束器分别将两台可调谐激光器产生的探测光和耦合光传输给环形原子探头阵列，探测光和耦合光在碱金属原子气室内重合且传输方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口。
进一步地，步骤304之后，还包括：
步骤305、原子天线探头阵列置于待测电场中，电磁诱导透明窗口将从一个劈裂成两个，通过测量出两个透明窗口的频率间距，即可计算得到待测信号的功率密度。
进一步地，步骤305具体包括：
将产生电磁诱导透明窗口的棱镜型原子天线探头置于待测电场中，电磁诱导透明窗口将从一个劈裂成两个，测量出两个透明窗口间的频率间距Δf，通过公式即可计算出待测信号的功率密度：
其中，为普朗克常数，dMW为里德堡原子的跃迁偶极矩，ε是真空介电常数，μ是磁导率。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、本发明采用了棱镜型原子天线探头组成环形原子天线探头阵列，具有的优势是棱镜型原子天线探头具有自校准功能，使用前不用校准，这是传统的探头不具备的功能。
2、棱镜型原子天线探头的灵敏度更高，相较于传统探头提高2-3个数量级，精度更高。
3、棱镜型原子天线探头可测量频带宽，可一次性测量1-500GHz范围的电场。
4、棱镜型原子天线探头是非金属材质，对待测电场干扰小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明棱镜型原子天线探头的结构示意图；
图2是本发明基于原子相干效应的空口测试系统的结构示意图；
图3是本发明基于原子相干效应的空口测试方法的流程图。
附图标记说明：
1、第一大玻璃套管；2、第一带尾纤插芯的光纤；3、第一小玻璃套管；4、第一渐变折射率透镜；5、棱镜；6、碱金属原子气室；7、第二渐变折射率透镜；8、第二带尾纤插芯的光纤；9、第二小玻璃套管；10、第二大玻璃套管；11、保护外壳；12、环形原子探头阵列；13、光纤分束器；14、原子微波电场计；15、信号源；16、待测天线；17、控制计算机；18、天线转台。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种棱镜型原子天线探头，包括碱金属原子气室6、棱镜5、第一带尾纤插芯的光纤2、第二带尾纤插芯的光纤8、第一渐变折射率透镜4、第二渐变折射率透镜7、第一小玻璃套管3、第二小玻璃套管9、第一大玻璃套管1、第二大玻璃套管10和保护外壳11。
所述棱镜5为三棱镜或梯形棱镜，用以反射激光，第一带尾纤插芯的光纤2和第一渐变折射率透镜4使用光学胶固定在第一小玻璃套管3内部，然后将这个整体部分用光学胶固定在第一大玻璃套管1内部，再使用光学胶将第一大玻璃套管1与棱镜5的上部粘合在一起。
第二带尾纤插芯的光纤8和第二渐变折射率透镜7使用光学胶固定在第二小玻璃套管9内部，然后将这个整体部分用光学胶固定在第二大玻璃套管10内部，再使用光学胶将碱金属原子气室6的一侧与第二大玻璃套管10粘合在一起，另一侧与棱镜5的下部粘合在一起。
所述保护外壳11是由铁氟龙材料制成，用以固定粘合好的碱金属原子气室6、棱镜5、第一大玻璃套管1和第二大玻璃套管10，减小光纤对玻璃套管产生的应力。
所述碱金属原子气室6是由石英材质制作的超高真空原子气室，所述碱金属原子为铯或铷原子。
探测光经第一带尾纤插芯的光纤2传输后经第一渐变折射率透镜4聚焦后经棱镜5反射进碱金属原子气室6内，同时耦合光经第二带尾纤插芯的光纤8传输后经第二渐变折射率透镜7聚焦后直接入射到碱金属原子气室6内，两束光在碱金属原子气室6内重合且传播方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口。探测光从碱金属原子气室6内出射后耦合进耦合光的光纤内，最终，探测光从耦合光的光纤出射后入射到光电探测器。
实施例2
如图2所示，本发明提供一种基于原子相干效应的空口测试系统，包括16个棱镜型原子天线探头组成的环形原子探头阵列12、光纤分束器13、原子微波电场计14、信号源15、待测天线16、控制计算机17和天线转台18。
其中，16个棱镜型原子天线探头以特定角度间隔均匀布置在圆环形扫描支架上组成环形原子探头阵列12，用以接收信号；光纤分束器13用以将环形原子探头阵列12连接到原子微波电场计14，原子微波电场计14为环形原子探头阵列12提供特定频率的激光以及用来进行数据采集。信号源15用以为待测天线16提供信号，控制计算机17用以控制天线转台18旋转待测天线16。
实施例3
如图3所示，本发明提供一种基于原子相干效应的空口测试方法，包括如下步骤：
步骤301、原子微波电场计14提供激光给环形原子探头阵列12使其产生电磁诱导透明窗口；
步骤302、信号源15提供信号给待测天线16，待测天线16发射信号，原子微波电场计14依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集；
步骤303、控制计算机17控制天线转台18旋转待测天线16，原子微波电场计14再依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集，最终完成三维球面近场数据的采集；
步骤304、将采集到的球面近场数据进行近远场转换，得到三维远场数据。
本实施例中，步骤301之前，还包括：
步骤300、在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔均匀布置多个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列12；环形原子探头阵列12通过光纤连接到光纤分束器13，待测天线16放置在转台上并保证它的相位中心在圆环形扫描支架的圆心。
本发明涉及的基于原子相干效应的空口测试方法，其工作原理是在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔布置16个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列12，原子微波电场计14通过光纤分束器13分别将两台可调谐激光器产生的探测光和耦合光传输给环形原子探头阵列12，探测光和耦合光在碱金属原子气室6内重合且传输方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明(简称EIT)窗口。接着，将产生电磁诱导透明窗口的棱镜型原子天线探头置于待测电场中，电磁诱导透明窗口将从一个劈裂成两个，测量出两个透明窗口间的频率间距Δf，通过公式即可计算出待测信号的功率密度：
其中，为普朗克常数，dMW为里德堡原子的跃迁偶极矩，ε是真空介电常数，μ是磁导率。
在环形原子探头阵列12产生电磁诱导透明窗口之后，待测天线16发射信号，同时，原子微波电场计14依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集。接着，控制计算机17控制天线转台18旋转待测天线16，原子微波电场计14再依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集，最终完成三维球面近场数据的采集，然后再将采集到的球面近场数据进行近远场转换，得到三维远场数据。
本发明采用了棱镜型原子天线探头组成环形原子天线探头阵列，具有的优势是棱镜型原子天线探头具有自校准功能，使用前不用校准，这是传统的探头不具备的功能。
棱镜型原子天线探头的灵敏度更高，相较于传统探头提高2-3个数量级，精度更高。
棱镜型原子天线探头可测量频带宽，可一次性测量1-500GHz范围的电场。
棱镜型原子天线探头是非金属材质，对待测电场干扰小。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种棱镜型原子天线探头，其特征在于，包括碱金属原子气室、棱镜、第一带尾纤插芯的光纤、第二带尾纤插芯的光纤、第一渐变折射率透镜、第二渐变折射率透镜、第一小玻璃套管、第二小玻璃套管、第一大玻璃套管、第二大玻璃套管和保护外壳；
所述第一带尾纤插芯的光纤和第一渐变折射率透镜固定在第一小玻璃套管内；
所述第一小玻璃套管固定在第一大玻璃套管内；
所述第二带尾纤插芯的光纤和第二渐变折射率透镜固定在第二小玻璃套管内；
所述第二小玻璃套管固定在第二大玻璃套管内；
所述第一大玻璃套管与棱镜的上部固定连接；
所述碱金属原子气室一侧与第二大玻璃套管固定连接，另一侧与棱镜的下部固定连接；
所述碱金属原子气室、棱镜、第一大玻璃套管、第二大玻璃套管固定于保护外壳内；
所述棱镜为三棱镜或梯形棱镜，用以反射激光；
探测光经第一带尾纤插芯的光纤传输后经第一渐变折射率透镜聚焦后经棱镜反射进碱金属原子气室内，同时耦合光经第二带尾纤插芯的光纤传输后经第二渐变折射率透镜聚焦后直接入射到碱金属原子气室内，两束光在碱金属原子气室内重合且传播方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口。
2.根据权利要求1所述的棱镜型原子天线探头，其特征在于，所述保护外壳由铁氟龙材料制成。
3.一种基于原子相干效应的空口测试系统，其特征在于，包括环形原子探头阵列、光纤分束器、原子微波电场计、信号源、待测天线、控制计算机和天线转台；
多个如权利要求1所述棱镜型原子天线探头以特定角度间隔均匀布置在圆环形扫描支架上组成环形原子探头阵列，用以接收信号；光纤分束器用以将环形原子探头阵列连接到原子微波电场计；原子微波电场计为环形原子探头阵列提供特定频率的激光以及用来进行数据采集；信号源用以为待测天线提供信号；控制计算机用以控制天线转台旋转待测天线。
4.根据权利要求3所述的基于原子相干效应的空口测试系统，其特征在于，所述环形原子探头阵列为16个所述棱镜型原子天线探头组成的环形原子探头阵列。
5.一种基于原子相干效应的空口测试方法，应用于如权利要求3或4所述的基于原子相干效应的空口测试系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤301、原子微波电场计提供激光给环形原子探头阵列使其产生电磁诱导透明窗口；
步骤302、信号源提供信号给待测天线，待测天线发射信号，原子微波电场计依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集；
步骤303、控制计算机控制天线转台旋转待测天线，原子微波电场计再依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集，最终完成三维球面近场数据的采集；
步骤304、将采集到的球面近场数据进行近远场转换，得到三维远场数据。
6.根据权利要求5所述的基于原子相干效应的空口测试方法，其特征在于，步骤301之前，还包括：
步骤300、在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔均匀布置多个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列；环形原子探头阵列通过光纤连接到光纤分束器，待测天线放置在转台上并保证它的相位中心在圆环形扫描支架的圆心。
7.根据权利要求5所述的基于原子相干效应的空口测试方法，其特征在于，步骤301具体包括：
原子微波电场计通过光纤分束器分别将两台可调谐激光器产生的探测光和耦合光传输给环形原子探头阵列，探测光和耦合光在碱金属原子气室内重合且传输方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，此时发生二能级吸收效应；耦合光的作用是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口。
8.根据权利要求5所述的基于原子相干效应的空口测试方法，其特征在于，步骤304之后，还包括：
步骤305、原子天线探头阵列置于待测电场中，电磁诱导透明窗口将从一个劈裂成两个，通过测量出两个透明窗口的频率间距，即可计算得到待测信号的功率密度。
9.根据权利要求8所述的基于原子相干效应的空口测试方法，其特征在于，步骤305具体包括：
将产生电磁诱导透明窗口的棱镜型原子天线探头置于待测电场中，电磁诱导透明窗口将从一个劈裂成两个，测量出两个透明窗口间的频率间距，通过公式即可计算出待测信号的功率密度：
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