CN115275640A - 一种透镜型全向多波束原子接收天线及制作方法 - Google Patents

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何艳
林沂
孙占山
杨凯
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Abstract

本发明属于量子微波测量领域，具体涉及一种透镜型全向多波束原子接收天线及制作方法，通过在龙伯透镜球面任意位置放置若干个原子玻璃气室探头，在需要的任何方向上形成定向高增益的窄波束，其接收电磁波的极化方向由原子气室探头的激光偏振方向决定。本发明的有益效果是利用原子气室探头作为馈源端口，可将多个探头置于龙伯透镜球的表面，既能通过龙伯透镜提高增益、形成多个波束，同时还能避免馈源遮挡导致无法实现全向多波束，从而增加原子接收天线的探测灵敏度，支撑量子微波测量系统在雷达、通信、电子对抗、导航等电子信息领域的应用。

Description

一种透镜型全向多波束原子接收天线及制作方法
技术领域
本发明属于量子微波测量领域，具体涉及一种透镜型全向多波束原子接收天线及制作方法。
背景技术
原子接收天线是指利用里德堡原子与电磁波的量子相干效应制成的接收天线，这种原子接收天线的探头部分通常是由玻璃制成的原子气室，其物理尺寸与待测电磁波波长呈弱相关，即同样大小原子天线探头可以在DC～THz的超宽频带内响应电磁波的电场分量，灵敏度高，特别是具有对待测场几乎无扰动的优点。近年来，此类型的原子接收天线技术受到广泛关注，朝着多元化发展，在雷达、通信接收机等领域应用前景广阔。
龙伯透镜利用介电常数梯度变化的多层介质球体实现对电磁波的折射，从而将平面波聚集到位于球面附近的焦点处，通过在龙伯透镜球表面布置多个馈源，即可实现多个高增益的窄波束，能有效提升天线的探测灵敏度和探测范围。传统金属馈源布置在龙伯透镜表面时，由于金属结构对电磁波有遮挡效应，从而无法实现全向多波束的功能。而原子接收天线采用的玻璃气室探头，对电磁波几乎没有扰动，遮挡效应可以忽略，从而可在龙伯透镜球表面环绕布局原子接收天线来实现全向多波束。
发明内容
本发明提供一种透镜型全向多波束原子接收天线及制作方法，通过在龙伯透镜球面任意位置放置若干个原子玻璃气室探头，在需要的任何方向上形成定向高增益的窄波束，其接收电磁波的极化方向由原子气室探头的激光偏振方向决定。本发明能够有效解决传统金属馈源对电磁波遮挡从而导致无法实现全向多波束的问题。
本发明采用的技术方案是，一种透镜型全向多波束原子接收天线，包括龙伯透镜球1和置于龙伯透镜球1表面的若干原子气室探头2，所述环绕原子气室探头2贴于龙伯透镜球1表面，通过探头不同的摆放方式可实现水平极化、垂直极化乃至任意极化的全向多波束。
进一步地，所述环绕的原子气室探头沿龙伯透镜球1的纬线放置时，可实现水平极化的方位面全向多波束，环绕的原子气室探头沿龙伯透镜球1的经线放置时，可实现垂直极化的俯仰面全向多波束，亦可将前述两种方式结合，通过旋转透镜即可实现不同极化和不同方向的波束。
本发明还提供一种上述透镜型全向多波束原子接收天线的制作方法，分为以下步骤：
S1将根据天线增益指标要求选取相应尺寸的龙伯透镜，并将龙伯透镜球置于水平放置的稳固支架上；
S2按照波束覆盖的空域范围计算出所需的原子气室探头数量和放置的位置坐标，并根据极化要求得到原子气室探头放置姿态，在龙伯透镜球表面标注出原子气室探头放置的位置以及姿态参数；
S3根据标注的位置和极化方向，将带有光纤端口的原子气室探头按照所需的极化姿态粘合到龙伯透镜球表面，采用紫外固化光学胶粘合的方式固定原子气室探头。
S4将原子气室探头上的探测光纤端口和耦合光纤端口分别连接到对应波段的激光器，用于制备里德堡态的原子，并通过光电探测器检测探测光经过原子气室后的幅度变化，从而解算出微波信号的幅度、频率等信息。
相比现有的透镜型多波束天线，本发明的有益效果是利用原子气室探头作为馈源端口，可将多个探头置于龙伯透镜球的表面，既能通过龙伯透镜提高增益、形成多个波束，同时还能避免馈源遮挡导致无法实现全向多波束，从而增加原子接收天线的探测灵敏度，支撑量子微波测量系统在雷达、通信、电子对抗、导航等电子信息领域的应用。
附图说明：
图1是本发明提供的一种透镜型多波束原子接收天线的整体结构示意图；
图2是本发明中原子气室探头的示意图；
图3是本发明提供的一种水平极化的方位面全向多波束原子接收天线；
图4是本发明提供的一种垂直极化的俯仰面全向多波束原子接收天线；
图5是本发明提供的一种可变极化和可变波束方向的原子接收天线；
图6是本发明实施例的垂直极化方位面全向多波束方向图。
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。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种透镜型全向多波束原子接收天线，如图1所示，包括：龙伯透镜球1和置于透镜球表面的若干原子气室探头2。
如图2所示，所述原子气室探头2包括探测光纤端口21、耦合光纤端口22、玻璃原子气室23，探测光纤端口21和耦合光纤端口22的一端分别安装在原子玻璃气室对向面的同一轴线上。玻璃原子气室23通常注有饱和蒸气压的铯原子或铷原子气体，探测光纤端口21和耦合光纤端口22分别用于向玻璃原子气室23内提供对向共线传输的探测激光和耦合激光且此两束光具有一致的偏振方向，探测光从探测光纤端口21输入后穿过原子玻璃气室23中的原子气体，并通过耦合光纤端口22进入到光电探测器进行后续处理。
如图1所示，使用时，将若干个原子气室探头2置于龙伯透镜球表面作为接收天线的馈源，当平面波照射到此天线时，由于置于透镜球表面的所有玻璃气室探头对待测平面波的扰动可以忽略，故平面波将穿过部分原子气室探头并经龙伯透镜聚束到某个玻璃气室探头的有效作用区域，此时经聚束后的平面波电场强度得到增强，并与原子气室探头2中的里德堡态原子进行相互作用，气室中的里德堡原子对探测光的透射率会随着微波电场的强度和频率发生改变，从而产生电磁诱导透明和AT分裂(EIT-AT)效应，探测光直接进入耦合光纤端口23输出至光电探测器，经过光电转换，得到包含目标信息的电信号。本发明通过龙波透镜对平面波的增益提高了原子接收天线的探测灵敏度，通过没有遮挡效应的若干原子气室探测可以感知不同来波方向不同极化方向的平面波，实现全向全极化多波束功能。
优选地，如图3所示，将原子气室探头的玻璃原子气室做成环形玻璃气室，沿着龙伯透镜的纬线方向布置完整的一圈，并加载若干成对的光纤端口，其中探测光纤端口21和耦合光纤端口22沿z方向(纬线方向)布局并输出水平偏振的激光，即可实现水平极化的方位面全向多波束原子接收天线。
优选地，如图4所示，将原子气室探头的玻璃原子气室做成环形玻璃气室，沿着龙伯透镜的经线方向布置完整的一圈，并加载若干成对的光纤端口，其中探测光纤端口3和耦合光纤端口4沿y方向(经线方向)布局并输出垂直偏振的激光，即可实现垂直极化的俯仰面全向多波束原子接收天线。
优选地，如图5所示，将原子气室探头的玻璃原子气室做成正交环形玻璃气室，同时沿着龙伯透镜的经、纬线方向布置，并加载若干成对的光纤端口，通过旋转透镜即可实现不同极化的方位面全向多波束原子接收天线。
图6所示为本实施例的俯视图，工作频率为10GHz，龙伯透镜球1的直径为150mm，共6个原子气室探头沿龙伯透镜球的赤道线等角度间隔放置，每一个原子气室探头作为一个馈源，可形成一个定向的高增益窄波束。
如图6所示，原子气室探头的材质为玻璃，外形为10mm边长的正立方体，玻璃壁厚度0.5mm，原子气室处于完全封闭状态，内部完全抽真空后充入饱和蒸气压的铯原子气体。玻璃原子气室一个面的中心链接耦合光纤端口22，玻璃原子气室相对另一个面的中心链接探测光纤端口21，更具体的，光纤端口组件均采用渐变折射率(GRIN)透镜、套管和带尾纤的插芯这三个部件组装而成，便于和光纤激光器、光电探测器等设备连接。
进一步地，原子气室探头的一个面通过紫外固化光学胶黏贴在龙伯透镜的赤道线上，如图6所示，探测光纤端口21和耦合光纤端口22共线并平行于xoy面，光纤端口馈入的激光为垂直偏振光，可用于接收垂直极化的微波。共6个原子气室探头(2-1，2-2，2-3，2-4，2-5，2-6)环绕在龙伯透镜球的赤道面上，所有6个探头的安装方式一样。
进一步地，原子气室探头工作时，用于制备里德堡原子的耦合光波长为509～511nm的窄线宽激光，探测光波长为850～852nm的窄线宽激光，调谐激光参数即可使里德堡原子响应微波频段，并可测量其在不同来波方向的响应幅度大小。
进一步地，如图6所示，原子气室探头2-1形成的波束为91，原子气室探头2-2形成的波束为92，原子气室探头2-3形成的波束为93，原子气室探头2-4形成的波束为94，原子气室探头2-5形成的波束为95，原子气室探头2-6形成的波束为96。
实施例验证了龙伯透镜可将不同来波方向的电磁波聚焦于各原子气室探头，且原子气室探头之间对微波不会形成遮挡，故能在方位面上形成全向的6个高增益窄波束，不仅能更好的增强对电磁弱信号的探测，还可以灵活的覆盖全空域。
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。

Claims (8)

1.一种透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：包括龙伯透镜球(1)和置于龙伯透镜球(1)表面的若干原子气室探头(2)，所述环绕原子气室探头(2)贴于龙伯透镜球(1)表面，通过探头不同的摆放方式可实现水平极化、垂直极化乃至任意极化的全向多波束。
2.一种根据权利要求1所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：所述环绕的原子气室探头沿龙伯透镜球(1)的纬线放置时，可实现水平极化的方位面全向多波束。
3.一种根据权利要求2所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：将原子气室探头的玻璃原子气室做成环形玻璃气室，沿着龙伯透镜球的纬线方向布置完整的一圈，并加载若干成对的光纤端口，其中探测光纤端口(21)和耦合光纤端口(22)沿龙伯透镜球的纬线方向布局并输出水平偏振的激光，即可实现水平极化的方位面全向多波束原子接收天线。
4.一种根据权利要求1所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：环绕的原子气室探头沿龙伯透镜球(1)的经线放置时，可实现垂直极化的俯仰面全向多波束。
5.一种根据权利要求4所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：将原子气室探头的玻璃原子气室做成环形玻璃气室，沿着龙伯透镜球的经线方向布置完整的一圈，并加载若干成对的光纤端口，其中探测光纤端口(21)和耦合光纤端口(22)沿龙伯透镜球的经线方向布局并输出垂直偏振的激光，即可实现垂直极化的俯仰面全向多波束原子接收天线。
6.一种根据权利要求1所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：可将权利要求2和4两种方式结合，通过旋转透镜即可实现不同极化的方位面全向多波束原子接收天线。
7.一种根据权利要求6所述透镜型全向多波束原子接收天线，其特征在于：将原子气室探头的玻璃原子气室做成正交环形玻璃气室，同时沿着龙伯透镜的经、纬线方向布置，并加载若干成对的光纤端口，通过旋转透镜即可实现不同极化的方位面全向多波束原子接收天线。
8.一种权利要求1至7任一项所述透镜型全向多波束原子接收天线的制作方法，其特征在于，分为以下步骤：
S1将根据天线增益指标要求选取相应尺寸的龙伯透镜，并将龙伯透镜球置于水平放置的稳固支架上；
S2按照波束覆盖的空域范围计算出所需的原子气室探头数量和放置的位置坐标，并根据极化要求得到原子气室探头放置姿态，在龙伯透镜球表面标注出原子气室探头放置的位置以及姿态参数；
S3根据标注的位置和极化方向，将带有光纤端口的原子气室探头按照所需的极化姿态粘合到龙伯透镜球表面，采用紫外固化光学胶粘合的方式固定原子气室探头；
S4将原子气室探头上的探测光纤端口和耦合光纤端口分别连接到对应波段的激光器，用于制备里德堡态的原子，并通过光电探测器检测探测光经过原子气室后的幅度变化，从而解算出微波信号的幅度、频率信息。
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