CN115483521B - 一种超小型的类te011原子频标磁控管腔及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔及其实现方法。本发明用PCB技术将复杂金属尺寸扁平化印刷在介质上，若干金属棒固定印刷电路板，等效成介质磁控管腔；利用微带线的特点，另其作为耦合环激励原子跃迁，结合金属棒的分布位置可以保证得到高效的能量耦合和腔内磁场的均匀分布。本发明具有结构简单、易加工、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
本发明属于原子频标技术领域，涉及一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔及其实现方法。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，高性能的超小型原子频标。
背景技术
原子频标作为一种基于量子效应的时间基准，在导航定位，数字通信和数据传输，时间同步，精密测量等技术领域中具有广泛的应用。为适应现代社会需求，越来越多性能指标更好、集成度水平更高的原子钟被作为二级频率标准适用在各种便携小型设备上。所以，小尺寸，轻质量，高稳定度的原子频标已成为一个重要的发展方向。其中，微波腔作为原子钟物理系统中的核心部件，其尺寸、结构、谐振模式和场型分布将对原子频标的整体性能产生直接影响。
目前原子频标微波腔主要有标准腔和非标准腔两类。标准腔主要包括TE011腔和TE111腔两种，这两类微波腔体积较大，不利于原子频标的小型化。非标准腔可以有效减小体积，得较好的场型分布，主要包括磁控管腔、开槽管腔、同轴TEM腔等。
本发明提供的超小型原子频标磁控管腔是一种新型的类TE011模式下的非标准腔结构，利用当前最为成熟的集成电路印刷技术将复杂金属尺寸扁平化印刷在介质上，等效成带有介质的磁控管结构，在保证原子泡体积不受影响的情况下，满足了微波腔的小型化要求，降低了微波腔的加工难度；利用微带线本身磁力线的特点(磁力线围绕金属导体分布于导体表面上的空气，再穿过介质板形成闭合环，大部分能量被存储在介质板中)，使其作为耦合环来激励原子跃迁，可以保证穿过环的磁力线数量足够多，强度足够大，另外结合腔内插入的金属棒可以保证得到高效的能量耦合和磁场均匀分布，提高微波腔的性能。
发明内容
本发明的一个目的是为了在保证微波腔性能的基础上解决微波腔小型化与加工难度的问题，提供了一种超小型的原子频标磁控管腔结构，工作时微波磁场模式为类TE011模式，其用PCB技术将复杂金属尺寸扁平化印刷在介质上，若干金属棒固定印刷电路板，等效成介质磁控管腔；利用微带线的特点，另其作为耦合环激励原子跃迁，结合金属棒的分布位置可以保证得到高效的能量耦合和腔内磁场的均匀分布。本发明具有结构简单、易加工、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。
本发明为了解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，包括腔体、C场线圈、微带线耦合环、光电探测器、多层印刷电路板、原子泡；
所述腔体底部设有通光口，腔体外表面周向设有线槽；所述C场线圈绕制在线槽中；
所述微带线耦合环利用PCB技术加工微带线，包括微带线介质基板和印刷在微带线基板上的金属导体；所述金属导体与同轴电缆的线芯焊接，同轴电缆的金属屏蔽层与微带线基板外的接地层相连；所述微带线介质基板作为腔体的端盖与所述腔体的顶端连接，所述微带线介质基板内表面上固定有所述光电探测器；金属导体作为耦合元件，同轴电缆的线芯焊接在微带线介质基板的金属导体上，金属屏蔽层与微带线基板外的接地层相连。
所述腔体内设置有多层印刷电路板，原子泡内嵌在多层印刷电路板，多层印刷电路板与腔体内壁连接；
所述每层印刷电路板包括一个FR4介质基板和多个等大的金属线路；利用PCB印刷技术将复杂金属尺寸扁平化印刷在介质基板上；其中所述FR4介质基板是中空圆柱体结构；其中所述FR4介质基板的中空结构内空处放置所述原子泡；
每个金属线路为一体成型结构，包括弧形金属线和扇环连接线；所述弧形金属线围绕在所述FR4介质基板的中空结构外边沿，所述弧形金属线通过所述扇环连接线与腔体内壁连接并导通；所述相邻两弧形金属线间留有一定距离的间隙，每个弧形金属线两端各自开有第一圆形通孔；所述扇环连接线靠近腔体内璧端开有第二圆形通孔；所述第一圆形通孔、第二圆形通孔内插有金属棒，并贯穿多层印刷电路板；
所述金属导体落在FR4介质基板上的投影沿着FR4介质基板上的金属线路走向排布，且覆盖相邻弧形金属线路的一个间隙；金属弧线的圆心与微波腔的中心重合。
作为优选，所述第一圆形通孔围绕在印刷电路板的内空位置呈周期性或对称性规律排布。
作为优选，所述第二圆形通孔的位置紧靠FR4介质基板边缘但不接触。
作为优选，所述金属线路等效为电感L，相邻弧形金属线间的间隙等效为电容C，实现利用集总LC参数调整腔频和腔体尺寸。
作为优选，所述扇环连接线的圆心与微波腔中心重合，且其圆心角α为20°-30°，相邻两弧形金属线间的间隙宽度t为其弧形金属线线宽d的1/5-2/5。
作为优选，所述第一圆形通孔的圆心到腔体内壁的距离为印刷电路板半径的1/4-2/5；第二圆形通孔的圆心到腔体内壁的距离为印刷电路板半径的4％-6％；其中第一圆形通孔的圆心到腔体内壁的距离大于第二圆形通孔的圆心到腔体内壁的距离；同一弧形金属线上两个第一圆形通孔圆心分别与微波腔中心的两条连接线间夹角为68°-75°，第二圆形通孔圆心、第一圆形通孔圆心与微波腔中心所形成的两条连接线夹角为34°-37.5°。
作为优选，所述金属导体的两端分别与微波腔中心的两条连接线间夹角β为80°-90°，使得金属导体的平均周长等于其在原子跃迁频带下工作波长的整数倍，促使微带线耦合环产生稳定振荡，提高能量耦合；所述金属导体的线宽d0满足1/2d≤d0＜d，d表示弧形金属线的线宽；所述金属导体的最外侧弧线到微波腔中心的距离小于弧形金属线线宽d与原子泡半径r之和。
作为优选，腔体底部和腔璧四周都是传统金属一体化加工。
作为优选，用于缠绕C场线圈的槽口高度与原子泡和印刷电路板内空结构的高度持平，有助于泡区受热均匀。
作为优选，所述的微带线金属导体与同轴电缆线芯的信号馈入位置在某一个金属线路的中线正上方，金属导体的尺寸结构设计以激励原子跃迁，维持类TE011模式为基准，以提高腔内能量耦合为辅。
本发明的另一个目的是上述高性能磁控管腔的实现方法，具体是：
步骤(1)、调节磁控管腔的腔频
1-1调节腔体的内空尺寸，保持腔体的空载工作频率稳定，不存在多种磁场模式；
1-2调节腔体的外表面线槽尺寸，保证C场线圈紧贴槽口，利于原子泡加热；
1-3将原子泡放置于多层印刷电路板的内空结构，依次调节金属线路的个数n、间隙宽t、线宽d和原子泡半径r使得负载时的腔体工作频率满足原子跃迁的条件；
1-4依次将腔体、多层印刷介质板、原子泡、光电探测器、微带线沿着光轴方向组合起来，使腔体在能够激励原子跃迁的基准下只存在单一的磁场模式。
步骤(2)、维持原子频标磁控管腔的高性能
2-1将微带线介质基板放置在腔体的顶端，使其形成封闭的空间结构，充分利用微带线特性，将传输损耗大的平面波转换成微波腔所需的稳定驻波场；
2-2依次调节第一圆形通孔，第二圆形通孔的位置和个数，该位置上填充金属后，保证腔内磁场模式是单一稳定的类TE011，方向因子ξ最大；
2-3调节印刷电路板与腔体底部的相对距离，保证原子泡所在区域(印刷电路板的内空处)的磁场最强最稳定；
2-4调节信号馈入端的位置和金属导体的尺寸，使得微波腔的耦合性能最佳；
作为优选，第一圆形通孔可围绕在印刷电路板的内空结构呈周期性或对称性规律摆放，第二圆形通孔的位置需靠近印刷电路板基板边缘但不接触，保证获得高性能的磁控管腔。
作为优选，金属导体的平均周长等于微带线带内波长的整数倍，此时微带线端盖上会形成稳定的振荡，获得高能量的微波耦合。金属导体是具有一定弧度的扇环，扇环走向以穿过尽可能多的磁力线(某一间隙处)为基准；
作为优选，原子泡放置在印刷电路板的内空结构里，内空高度与线槽高度保持一致，使得原子泡所在区域磁场最大，线圈加热效果最好。
步骤(3)、调节光电探测器位置
3-1调节光电探测器的位置，使得光电探测器接收原子泡内所有的原子跃迁信号，并将光强转化成电信号；
作为优选，光电探测器与原子泡泡尾相对应，黏于微带线介质基板内侧的正中间。
步骤(1)中，当磁控管腔装有负载时，微波腔的工作频率f与金属线路的间隙宽t、线宽d，单层印刷电路板上的金属线路个数n，原子泡等效壁厚δ、原子泡半径r和腔体内空半径R之间存在关系如下：
其中，r’＝r-δ；d’＝d+δ；μ0为真空磁导率；εeff为等效介电常数。
由Maxwell-Garnett理论可得两相复合材料的等效介电常数：
其中，ε1为增强相介电常数；ε2为基体相介电常数；V1为增强相体积百分含量。
将式子(2)带入式子(1)，可以获得理论下的微波腔腔频；
根据式子(1)，通过调节金属线路上的尺寸(间隙宽t、线宽d)、个数n和原子泡半径r，可以保证负载时磁控管腔的工作频率等于原子跃迁频率，实现以量子效应为基准的时间测量。
步骤(2)中，高性能微波腔的特性由腔内原子跃迁频率处的驻波场磁场分量与量子化轴平行程度的方向因子ξ表征，它定义为在腔内微波场与原子作用区中，沿量子化轴方向的磁场能量与总磁场能量之比：
其中V为原子泡体积，|Hz|2和|H|2分别表征量子化轴方向的磁场能量密度和微波腔内总磁场能量密度，方向因子ξ取值范围在0--1，数值越趋近于1，则微波磁场与量子化轴平行度越高，越容易激励原子跃迁。腔体内的磁场主要由金属线路间隙处的电场支撑，间隙越多，微波填充系数越高，但是会造成方向因子变差、场型不稳定，为规避此类现象，现引用麦克斯韦方程组的边界条件来说明：
H切向分量的边界条件：
E切向分量的边界条件：
B法向分量的边界条件：
D法向分量的边界条件：
对于理想导体来说，理想导体体内E2＝0、B2＝0；此时理想导体表面的边界条件为：
其中，代表法线方向的矢量；/>分别表示理想导体表面处磁场强度和体内的磁场强度；/>分别表示理想导体表面处电场矢量和体内的电场矢量；/>表示电流密度；分别表示理想导体表面处磁感应强度和体内的磁感应强度；/>分别表示理想导体表面处电位移矢量和体内的电位移矢量；/>表示电荷密度。
由公式(4.6)、(4.7)可以看出，理想导体表面上没有切向的电场和法向的磁场，也就是说，理想导体表面上介质一侧，若有电场或磁场，则电场与导体表面垂直，磁场与导体表面相切。铜作为常见的金属导体，也具备上述的电磁场特征。又根据公式(3)可得，当|H|保持一定时(|H|只跟输入的初始功率有关)，方向因子ξ跟平行于量化轴方向的磁场分量|Hz|呈正比关系，在腔体内插入若干平行与量化轴方向的金属铜棒，调节其位置使得平行于量化轴方向|Hz|磁场分量增多，此时方向因子ξ趋向于1，进而影响微波腔的整体性能。此外间隙处的宽度t、金属线路的尺寸结构与信号源馈入点的位置都会对方向因子产生影响，综合考虑这些因素，可以通过参数的调节获得更高的方向因子和能量耦合。
本发明的有益效果在于：
1.多层电路印刷版的引入，在保证不损害腔内实际有效体积(减小原子泡大小)的情况下，进一步缩小了微波腔的体积尺寸(约占传统圆柱磁控管腔的1/8)，相比填充介质的TE101标准矩形腔而言，本发明的微波磁场模式为场型更优越的类TE011模式，方向因子ξ高达0.977，更容易激励铷原子跃迁；
2.微带线具有质量轻，频带宽，制造成本低，结构简单等特点，但是微带线的传输平面波损耗较大，可将其作为金属腔体的端盖，利用金属腔内璧和微带线介质基板外侧的接地层对微波场存在囚禁作用，使平面波转换成谐振腔所需的驻波场，将微带线作为耦合环激励解决了传统同轴电缆耦合环结构复杂，加工维护难等问题，进而提升了微波腔的能量耦合和品质因数Q；
3.由PCB技术加工得到的微带线和印刷电路板相较传统金属一体化加工，可以很好地保证加工精度和一致性，微带线的介质基板采用罗杰斯6010LM(PTEE陶瓷介质)这类高介电常数材料，可以使微带线所产生的磁场能量大部分存储在介质层里，陶瓷的引入可以忽略线圈加热对腔体使用的影响，印刷电路板采用常见FR4介质板，价格低廉；
4.原子泡形状不将仅仅局限于圆柱泡和方泡，可应用于多种场景。
由以上特点可以看出，本发明所设计的微波腔，与传统磁控管腔相比腔体结构非常简洁，与填充介质的TE101标准矩形腔相比原子泡内场型分布更加优越，体积更小，且PCB技术能更好保证加工精度和一致性，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)为本发明的立体结构示意图；
图1(b)为本发明的主视图；
图1(c)为图1(b)中的A-A剖面示意图；
图1(d)为图1(b)中的B-B剖面示意图；
图2为本发明的爆炸示意图；
图3(a)为腔体的立体示意图；
图3(b)为腔体的剖面示意图
图4为单层印刷电路板结构示意图；
图5为四层印刷电路板等效成磁控管腔的结构示意图；
图6(a)为微带线耦合环的结构示意图；
图6(b)为微带线耦合环的俯视图；
图7(a)为对应图1(c)的微波磁场分布示意图；
图7(b)为对应图1(d)的微波磁场分布示意图；
图8为腔体的S参数仿真图；
图9为微带线耦合环装配位置示意图；
图10为实施例下的单层印刷电路板俯视图；
图11为实施例下的原子泡结构示意图；
其中：1-腔体；1a-通光口；1b-线槽；2-C场线圈；3-微带线耦合环；3a-信号馈入端；3b-微带线介质基板；3c-金属导体；4-光电探测器；5-印刷电路板；5a-弧形金属线；5b-扇环连接线；5c-第一圆形通孔，5d-第二圆形通孔；5e-FR4介质基板；6-原子泡；7-金属棒。
具体实施方式
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：
一种超小型的原子频标磁控管腔结构，如图1(a)-1(d)、图2包括腔体1、C场线圈2、微带线耦合环3、光电探测器4、4层印刷电路板5、原子泡6。
如图3(a)-3(b)所述腔体1底部设有通光口1a，腔体1的内空和外形均为圆柱体，腔体1外表面周向设有线槽1b；所述C场线圈2绕制在线槽1b中。
所述微带线耦合环3包括微带线介质基板3b和印刷在微带线基板3b上的金属导体3c；所述金属导体3c与同轴电缆的线芯焊接，同轴电缆的金属屏蔽层与微带线基板3b外的接地层相连；所述微带线介质基板3b与所述腔体1的顶端连接，所述微带线介质基板3b内表面上固定有所述光电探测器4。
所述腔体1内设置有4层印刷电路板5，原子泡6内嵌在4层印刷电路板5，4层印刷电路板5与腔体1内壁连接。
如图4-5、图10所述每层印刷电路板5包括一个FR4介质基板5e和4个等大的金属线路；其中每个金属线路为一体成型结构，包括1个弧形金属线5a和1个扇环连接线5b；所述每层FR4介质基板5e是半径为6.2mm、高度为2mm的中空圆柱体结构；所述FR4介质基板5e的中空结构是半径为4.1mm、高度为2mm的圆柱体，其中所述FR4介质基板5e的中空结构处放置所述原子泡6；所述弧形金属线5a围绕在所述FR4介质基板5e的中空结构外边沿，每个弧形金属线5a的内侧线与FR4介质基板的中空边缘线重合，外侧线与扇环连接线5b连接；所述弧形金属线5a通过所述扇环连接线5b与腔体1内壁连接并导通；所述相邻两弧形金属线5a间留有一定距离的间隙，每个弧形金属线5a的两端各自开有第一圆形通孔5c；所述扇环连接线5b与腔体1内壁连接并导通，扇环连接线5b靠近腔体1内璧端开有第二圆形通孔5d；所述第一圆形通孔5c、第二圆形通孔5d内插有金属棒7，并贯穿多层印刷电路板5，以实现固定多层印刷电路板5。
所述腔体1为一体化结构，其材质采用黄铜，外形尺寸为半径是8mm、高度是14.705mm的圆柱体，腔体1底端挖有半径为2mm、高度为1.8mm的通光孔1a，腔体1顶端开口，腔体的内空尺寸是半径为6.2mm、高度为11mm的圆柱体。腔体1外表面周向设有线槽1b，槽深0.8mm、槽高8mm，C场线圈2直径为0.3mm，围绕在线槽1b内，用于产生平行于光轴方向的稳定静磁场。
所述第一圆形通孔5c可围绕在印刷电路板5的内空位置呈周期性或对称性规律排布，所述第二圆形通孔5d的位置紧靠FR4介质基板边缘但不接触，其中金属线路部分(即弧形金属线5a和扇环连接线5b)等效为电感L，间隙部分(相邻弧形金属线5a间的间隙)等效为电容C，此时可利用集总LC参数来达到调整腔频和腔体尺寸的目。
所述FR4介质基板5e上的金属线路为一体成型结构，包括弧形金属线5a和扇环连接线5b；所述扇环连接线5b的圆心与微波腔中心重合，且其圆心角α为20°-30°，相邻两弧形金属线5a间的间隙宽度t为其弧形金属线5a线宽d的1/5-2/5。
所述第一圆形通孔5c的圆心到腔体1内壁的距离为印刷电路板5半径的1/4-2/5；第二圆形通孔5d的圆心到腔体1内壁的距离为印刷电路板5半径的4％-6％；其中第一圆形通孔5c的圆心到腔体1内壁的距离大于第二圆形通孔5d的圆心到腔体1内壁的距离；同一弧形金属线5a上两个第一圆形通孔5c圆心分别与微波腔中心的两条连接线间夹角为68°-75°，第二圆形通孔5d圆心、第一圆形通孔5b圆心与微波腔中心所形成的两条连接线夹角为34°-37.5°。
如图6(a)-6(b)、图9所述微带线耦合环3包括微带线介质基板3b和印刷在微带线基板3b上的金属导体3c，金属导体3c为金属弧线；在B-B剖面上的投影内，金属导体3c沿着FR4介质基板上的金属线路走向排布，且覆盖相邻弧形金属线路5a的一个间隙；金属弧线的圆心与微波腔的中心重合；金属弧线的两端分别与微波腔中心的两条连接线间夹角β为80°-90°，造成金属弧线的平均周长等于其在原子跃迁频带下工作波长的整数倍，使得微带线耦合环3产生稳定振荡，提高能量耦合；金属导体3c的线宽d0满足1/2d≤d0＜d，d表示弧形金属线5a的线宽；金属导体3c的最外侧弧线到微波腔中心的距离小于弧形金属线5a线宽d与原子泡6半径r之和。
本实施例中的金属导体3c为铜，厚度18um，状如外径约5.38mm、内径约4.5mm、金属弧线的两端与微波腔中心的夹角β为88°的同心环，微带线基板3b是罗杰斯6010LM，尺寸是半径8mm、厚1.905mm的圆柱体，同轴电缆一端的线芯与信号馈入端3a连接，金属导体3c必须沿着FR4介质基板上的金属线路走向排布，囊括金属线路5a彼此的某一处间隙，保证微带线耦合环3与微波腔的强耦合；微带线耦合环3与腔体1顶端通过硅胶粘接形成封闭金属腔。
如图11所述原子泡6为密封透明的玻璃泡，泡尾朝向光电探测器4。本实施例中的原子泡6是半径为4mm、高度为8mm、泡壁厚1mm的圆柱体，原子泡6通过硅胶粘接在四层印刷电路板5的内空，其高度与四层印刷电路板5的堆砌高度保持一致。原子泡6内充有工作原子铷金属蒸气和一定气压的缓冲气体。
所述金属棒7为实心的，本实施例中金属棒7为铜棒，半径为0.2mm、高度为8mm，分别插在圆形通孔5b和5c上，共12根。
所述光电探测器4用于检测铷蒸汽原子的光吸收信号，本实施例中光电探测器4通过硅胶黏在微带线介质基板3b内表面的正中间，与原子泡6的泡尾相对应但不接触。
具体调节磁控管腔结构实现提高微波腔性能的方法是：
实施例中腔体1的内空尺寸是半径为6.2mm、高度为11mm的圆柱体，保证腔体1的空载工作频率稳定，不存在多种磁场模式；腔体1外表面周向设有线槽1b，槽深0.8mm、槽高8mm，C场线圈2直径为0.3mm，围绕在线槽1b内，用于产生平行于光轴方向的稳定静磁场，利于原子泡加热。
负载装配时，首先在腔体内空结构处摆入规格是半径为6.2mm、高度为2mm、具有圆柱体内空结构：半径为4.1mm、高度为2mm的FR4介质基板5e，印刷电路板5的总层数是四层，其距离腔体底端的距离是1mm，印刷电路板5上的金属线路的厚度为18um，状如弧形金属线5a与扇环连接线5b的组合，其中扇环连接线5b与微波腔中心的角度α为26°且必须与腔体1内壁连接导通；其次，将规格是半径为4mm、高度为8mm、泡壁厚1mm的圆柱体原子泡6嵌入在印刷电路板5的内空结构处；
再次，为使腔体工作频率满足原子跃迁，微波模式是单一稳定的类TE011模，此时金属线路的个数n＝4、间隙宽t＝0.3mm、弧形金属线5a的线宽d＝1mm，第一圆形通孔5c的圆心到腔体内壁的距离为印刷电路板5半径的30％，数值为1.8mm，第二圆形通孔5d的圆心到腔体内壁的距离为印刷电路板5半径的5％，数值为0.31mm；两个第二圆形通孔5d与微波腔中心的连接线夹角为70°，第二圆形通孔5d与微波腔中心、第一圆形通孔5b之间的连接线夹角呈35°，通孔个数共12个，用于插入规格是半径为0.2mm、高度为8mm金属铜棒，产生更多平行量化轴方向的磁场分量|Hz|；
接着，微带线基板3b是罗杰斯6010LM板材，尺寸为半径8mm、厚1.905mm的圆柱体，信号馈入点3a的位置与某一个金属线路的中线位置重合(剖面B-B投影，微带线3上的金属导体3c是厚为18um、状如外径约5.38mm、内径约4.5mm、金属弧线的两端与微波腔中心的夹角β为88°的同心环，使同心环的平均周长等于其在原子跃迁频带下工作波长的整数倍，圆环走向以穿过尽可能多的磁力线(某一间隙处)为基准，此时微带线端盖上会形成稳定的振荡，获得高能量的微波耦合；
最后，将光电探测器4黏于微带介质基板3b内表面的正中间，微带线耦合环3通过硅胶与腔体1的顶端相连，此时整腔在能够激励原子跃迁的基准下只存在单一的类TE011磁场模式且反射损耗为-21.68dB，方向因子高达0.977。
图7(a)和图7(b)分别给出了基于PCB技术的原子频标微波腔结构沿光轴方向和垂直光轴方向两个面的微波场型。本发明利用微带线本身磁力线的特点，结合金属棒和腔体内壁对电磁波的规范束缚作用，使得封闭腔内微带线的传输平面波被转换成微波腔所需的稳定驻波场。从图中可以看出，本发明微波腔内微波磁场分布类似为TE011模式，在原子吸收泡6所在区域内，磁力线高度平行于量化轴，微波磁场强度均匀性高，此时泡区方向因子可达0.977。由此可知，该微波磁场模式非常适合激励铷原子发生钟跃迁(0-0磁偶极跃迁)，并获得很高信噪比的原子鉴频信号，进而有利于高性能铷原子频标的研制。
由图8可知，本发明利用微带线代替传统同轴电缆作为耦合环使微波腔获得了高效率的能量耦合，微波腔在6.835GHZ谐振频点下S11参数为-21.68dB。HFSS全频扫描下，微波腔的谐振点彼此间相较甚远，并不会影响原子的跃迁，这也意味着在原子跃迁频率下微波腔能获得类TE011模式下的稳定驻波场，上述特点还能降低工程师对原子频标外部电路的设计要求。
由以上实施例可知，本发明提供的基于PCB技术的原子频标微波腔结构，结合了集成电路领域中的微带线技术和PCB印刷技术，是一种全新结构的磁控管腔。具有机械加工难度小，装配工艺简单，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。
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，印刷电路板5的层数、金属线路形状、内空结构，圆形通孔位置分布情况，微带线耦合环3中金属导体3c的结构尺寸和信号馈入端3a的位置都可根据具体情形做相应设计。本实施例中印刷电路板5上的金属线路状如弧形金属线5a和扇环连接线5b的组合体，绕印刷电路板内空结构对称分布，微带线尺寸结构和用于填充圆形通孔的位置分布共同决定了卓越的类TE011模式供原子跃迁和高效的能量耦合。无论金属线路的形状如何改变，填充圆形通孔达到固定印刷电路板目的的方式如何替换，只要金属线路围绕内空结构呈周期性或对称布列，线路与金属腔体内壁存在接触且导通，并利用微带线耦合环，金属腔体和多层印刷电路板粘合成封闭腔来产生微波场的设计，都在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 (10)
1.一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，包括腔体(1)、C场线圈(2)、微带线耦合环(3)、光电探测器(4)、多层印刷电路板(5)、原子泡(6)；
所述腔体(1)底部设有通光口(1a)，腔体(1)外表面周向设有线槽(1b)；所述C场线圈(2)绕制在线槽(1b)中；
所述微带线耦合环(3)包括微带线介质基板(3b)和印刷在微带线介质基板(3b)上的金属导体(3c)；所述金属导体(3c)与同轴电缆的线芯焊接，同轴电缆的金属屏蔽层与微带线介质基板(3b)外的接地层相连；所述微带线介质基板(3b)与所述腔体(1)的顶端连接，所述微带线介质基板(3b)内表面上固定有所述光电探测器(4)；
所述腔体(1)内设置有多层印刷电路板(5)，原子泡(6)内嵌在多层印刷电路板(5)中，多层印刷电路板(5)与腔体(1)内壁连接；
其特征在于：
所述每层印刷电路板(5)包括一个FR4介质基板(5e)和多个等大的金属线路；其中所述FR4介质基板(5e)是中空结构，所述中空结构内放置所述原子泡(6)；
每个金属线路为一体成型结构，包括1个弧形金属线(5a)和1个扇环连接线(5b)；所述弧形金属线(5a)围绕在所述FR4介质基板(5e)的中空结构外边沿，所述弧形金属线(5a)通过所述扇环连接线(5b)与腔体(1)内壁连接并导通；相邻两弧形金属线(5a)间留有一定距离的间隙，每个弧形金属线(5a)的两端各自开有第一圆形通孔(5c)；所述扇环连接线(5b)靠近腔体(1)内壁端开有第二圆形通孔(5d)；所述第一圆形通孔(5c)、第二圆形通孔(5d)内插有金属棒(7)，并贯穿多层印刷电路板(5)；
所述金属导体(3c)落FR4介质基板上的投影沿着FR4介质基板上的金属线路走向排布，且覆盖相邻弧形金属线(5a)的一个间隙；金属导体(3c)的圆心与微波腔的中心重合。
2.根据权利要求1所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述第一圆形通孔(5c)围绕所述FR4介质基板(5e)的中空结构呈周期性或对称性规律排布。
3.根据权利要求1或2所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述第二圆形通孔(5d)的位置紧靠FR4介质基板边缘但不接触。
4.根据权利要求1所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述金属线路等效为电感L，相邻弧形金属线(5a)间的间隙等效为电容C，实现利用集总LC参数调整腔频和腔体尺寸。
5.根据权利要求1所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述扇环连接线(5b)的圆心与微波腔中心重合，且其圆心角α为20°-30°，相邻两弧形金属线(5a)间的间隙宽度t为其弧形金属线(5a)线宽d的1/5-2/5。
6.根据权利要求1所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述第一圆形通孔(5c)的圆心到腔体(1)内壁的距离为印刷电路板(5)半径的1/4-2/5；第二圆形通孔(5d)的圆心到腔体(1)内壁的距离为印刷电路板(5)半径的4％-6％；其中第一圆形通孔(5c)的圆心到腔体(1)内壁的距离大于第二圆形通孔(5d)的圆心到腔体(1)内壁的距离；同一弧形金属线(5a)上两个第一圆形通孔(5c)圆心分别与微波腔中心的两条连接线间夹角为68°-75°，第二圆形通孔(5d)圆心、第一圆形通孔(5c)圆心与微波腔中心所形成的两条连接线夹角为34°-37.5°。
7.根据权利要求1所述一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔，其特征在于所述金属导体(3c)的两端分别与微波腔中心的两条连接线间夹角β为80°-90°，使得金属导体(3c)的周长等于其在原子跃迁频带下工作波长的整数倍，促使微带线耦合环(3)产生稳定振荡，提高能量耦合；所述金属导体(3c)的线宽d0满足1/2d≤d0＜d，d表示弧形金属线(5a)的线宽；所述金属导体(3c)的最外侧弧线到微波腔中心的距离小于弧形金属线(5a)线宽d与原子泡(6)半径r之和。
8.权利要求1-7任一项所述的一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔的实现方法，其特征在于所述方法具体是：
步骤(1)、调节磁控管腔的腔频
1-1调节腔体(1)的中空尺寸，保持腔体(1)的空载工作频率稳定，不存在多种磁场模式；
1-2调节腔体(1)的外表面线槽尺寸，保证C场线圈(2)紧贴槽口，利于原子泡加热；
1-3将原子泡(6)放置于多层印刷电路板的内空结构，依次调节金属线路的个数n、间隙宽t、线宽d和原子泡半径r，使得负载时的腔体(1)工作频率满足原子跃迁的条件；
1-4依次将腔体(1)、多层印刷电路板、原子泡(6)、光电探测器(4)、微带线耦合环(3)沿着光轴方向组合起来，使腔体(1)在能够激励原子跃迁的基准下只存在单一的磁场模式；
步骤(2)、维持原子频标磁控管腔的高性能
2-1将微带线介质基板(3b)放置在腔体(1)的顶端，使其形成封闭的空间结构，充分利用微带线特性，将传输损耗大的平面波转换成微波腔所需的稳定驻波场；
2-2依次调节第一圆形通孔(5c)，第二圆形通孔(5d)的位置和个数，该位置上填充金属棒后，保证腔内磁场模式是单一稳定的类TE011，方向因子ξ最大；
2-3调节印刷电路板(5)与腔体(1)底部的相对距离，保证原子泡所在区域的磁场最强最稳定；
2-4调节信号馈入端(3a)的位置和金属导体(3c)的尺寸，使得微波腔的耦合性能最佳；
步骤(3)、调节光电探测器位置
调节光电探测器(4)的位置，使得光电探测器(4)接收原子泡内所有的原子跃迁信号，并将光强转化成电信号。
9.根据权利要求8所述的一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔的实现方法，其特征在于步骤(1)中，当磁控管腔装有负载时，微波腔的工作频率f与金属线路的间隙宽t、线宽d，单层印刷电路板上的金属线路个数n，原子泡等效壁厚δ、原子泡半径r和腔体内空半径R之间存在关系如下：
其中，r’＝r-δ；d’＝d+δ；μ0为真空磁导率；εeff为等效介电常数；
由Maxwell-Garnett理论可得两相复合材料的等效介电常数：
其中，ε1为增强相介电常数；ε2为基体相介电常数；V1为增强相体积百分含量；
将式(2)带入式(1)，获得理论下的微波腔腔频；
根据式(1)，通过调节金属线路的间隙宽t、线宽d、个数n和原子泡半径r，保证负载时磁控管腔的工作频率等于原子跃迁频率，实现以量子效应为基准的时间测量。
10.根据权利要求8所述的一种超小型的类TE011原子频标磁控管腔的实现方法，其特征在于步骤(2)中，高性能微波腔的特性由腔内原子跃迁频率处的驻波场磁场分量与量子化轴平行程度的方向因子ξ表征，它定义为在腔内微波场与原子作用区中，沿量子化轴方向的磁场能量与总磁场能量之比：
其中V为原子泡体积，|Hz|2和|H|2分别表征量子化轴方向的磁场能量密度和微波腔内总磁场能量密度，方向因子ξ取值范围在0-1，数值越趋近于1，则微波磁场与量子化轴平行度越高，越容易激励原子跃迁；腔体内的磁场主要由金属线路间隙处的电场支撑，间隙越多，微波填充系数越高，但是会造成方向因子变差、场型不稳定，为规避此类现象，现引用麦克斯韦方程组的边界条件来说明：
H切向分量的边界条件：
E切向分量的边界条件：
B法向分量的边界条件：
D法向分量的边界条件：
对于理想导体来说，理想导体体内E2＝0、B2＝0；此时理想导体表面的边界条件为：
其中，代表法线方向的矢量；/>分别表示理想导体表面处磁场强度和体内的磁场强度；/>分别表示理想导体表面处电场矢量和体内的电场矢量；/>表示电流密度；/>分别表示理想导体表面处磁感应强度和体内的磁感应强度；/>分别表示理想导体表面处电位移矢量和体内的电位移矢量；/>表示电荷密度；
由公式(4.6)、(4.7)看出，理想导体表面上没有切向的电场和法向的磁场，也就是说，理想导体表面上介质一侧，若有电场或磁场，则电场与导体表面垂直，磁场与导体表面相切；根据公式(3)可得，当|H|保持一定，方向因子ξ跟平行于量化轴方向的磁场分量|Hz|呈正比关系，在腔体内插入若干平行于量化轴方向的金属铜棒，调节其位置使得平行于量化轴方向|Hz|磁场分量增多，此时方向因子ξ趋向于1，进而影响微波腔的整体性能。
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