JP2007087988A - 光マイクロ波共鳴器用キャビティ - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティを密閉するプリント基板のキャビティ外側の面にマイクロ波ブロッキング用のコンデンサを装着すると、マイクロ波がキャビティ外側に漏洩してマイクロ波のキャビティ励振レベルが不安定となる。
【解決手段】マイクロ波発生回路１４の整合回路１４ａは、マイクロ波輻射部１４ｂのステップリカバリダイオードＤの動作点を設定するバイアス部ＢＣと、変調・逓倍回路２３及び周波数変換回路２４からの２つの高周波信号を効率よくマイクロ波輻射部１４ｂに伝送するための整合部ＭＣとで構成し、前記マイクロ波輻射部１４ｂは、高周波信号を逓倍・混変調して所定のマイクロ波を得るステップリカバリダイオードＤと、前記マイクロ波を輻射してキャビティ１５を励振するアンテナＡｎｔと、ブロッキングコンデンサＣとで構成し、前記ブロッキングコンデンサＣは貫通端子１９ａのキャビティ内側の接続端子部にはんだ付けによって接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子発振器に用いられる光マイクロ波共鳴器用キャビティに関し、特に、該キャビティを励振するマイクロ波を効率よく輻射できるように構成した光マイクロ波共鳴器用キャビティに関する。

ルビジウム原子発振器は、ＳＤＨ等の情報通信の網同期システム、ＧＰＳ機能を用いた位置特定サービス用の基地局等における、周波数安定度の極めて高い基準周波数発生源として用いられている。
前記ルビジウム原子発振器に用いられる光マイクロ波共鳴器用キャビティは、内部にルビジウム原子を封入したガスセルと、光検出装置と、マイクロ波発生装置とを収容したものであって、このルビジウム原子発振器は、前記ガスセルのルビジウム原子にルビジウム原子励起光を照射することによって生じる光マイクロ波二重共鳴現象を利用して、ルビジウム原子の共鳴周波数に同期した高安定度の発振周波数を出力する。

図４は、従来のルビジウム原子発振器の一例を示す構成概要図である。本ルビジウム原子発振器５０は、ルビジウムランプ１１とルビジウム原子を封入したルビジウムガスセル（以下、単にガスセルという）１２と光検出装置１３とマイクロ波発生回路１７とから成るキャビティ１８と、前記ルビジウムランプ１１を励振するランプ励振器１６と、を備えた光マイクロ波ユニット（0ptica1 Microwave Unit、以下、ＯＭＵという）２０と、電圧制御型水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）２１と、周波数制御回路２２と、変調・逓倍回路２３と、周波数変換回路２４とで構成される。

上記構成のルビジウム原子発振器５０は次のように動作する。
まず、ランプ励振器１６によって励起されたルビジウムランプ１１からの励起光がキャビティ１８のガスセル１２を照射する。また、ＶＣＸＯ２１の出力信号を変調・逓倍回路２３で位相変調及び周波数逓倍した信号と、前記ＶＣＸＯ２１出力信号を周波数変換回路２４で周波数変換した信号とをマイクロ波発生回路１７において混変調し所定の周波数のマイクロ波を発生する。このマイクロ波が、前記キャビティ１８に輻射されることによって生じる光マイクロ波二重共鳴現象を利用して、前記励起光を受光して得られる光検出装置１３の出力信号をもとに、周波数制御回路２２は周波数制御信号を生成する。
さらに、この周波数制御信号がＶＣＸＯ２１へフィードバックされ、該ＶＣＸＯ２１の出力信号を逓倍・周波数変換して得られるマイクロ波発生回路１７の出力周波数と前記ガスセル１２のルビジウム原子の共鳴周波数とが同期するように制御されるので、前記ＶＣＸＯ２１から高い安定度の発振周波数信号がルビジウム原子発振器５０の出力信号として出力される。

図５は、従来のキャビティの例を示す図で、（ａ）は、構成概要を示す模式図、（ｂ）は、（ａ）のキャビティの底面を密閉するプリント基板に装着されたマイクロ波発生回路の詳細説明図である。
同図（ａ）に示されるように、本キャビティ１８は一方の底面を開口し、他方の底面にルビジウム励起光が透過する透過孔１８ａを有する円筒状金属容器１８ｂを備え、その内部にガスセル１２を収容したものである。さらに該円筒状金属容器１８ｂの前記開口した底面は、金属メッキが施されたプリント基板１８ｃによって密閉された空洞共鳴筒の構造を有する。ここで、前記プリント基板１８ｃのキャビティ外側と接する面には、後述のバラクタダイオードのバイアス回路を含む高周波信号の整合回路１７ａが搭載されている。
また、前記プリント基板１８ｃのキャビティ内側と接する面には、後述のマイクロ波輻射用のアンテナ及び周波数逓倍用のバラクタダイオードから成るマイクロ波輻射部１７ｂと、光検出装置１３とが搭載されている。
このプリント基板１８ｃの両面を密封貫通する貫通端子１９ａ、１９ｂは、整合回路１７ａとマイクロ波輻射部１７ｂ及び光検出装置１３と外部とを接続している。
特開平６−１６４２２１号公報

図５（ｂ）は、前記キャビティ１８のプリント基板１８Ｃの両面に実装された前記マイクロ波発生回路１７の詳細説明図である。
同図に示されるように、マイクロ波発生回路１７の整合回路１７ａは、マイクロ波輻射部１７ｂのバラクタダイオード、例えばステップリカバリダイオードＤの動作点を設定するバイアス部ＢＣと、前述の変調・逓倍回路２３及び周波数変換回路２４からの２つの高周波信号を効率よくマイクロ波輻射部１７ｂの前記ステップリカバリダイオードＤに伝送するための整合部ＭＣと、マイクロ波のキャビティからの漏洩を防止するブロッキングコンデンサＣと、を備える。
また、マイクロ波輻射部１７ｂは、ステップリカバリダイオードＤとアンテナAntとを備え、整合回路１７ａからの高周波信号を前記ステップリカバリダイオードＤにおいて逓倍・混変調することによって所定のマイクロ波を生成してアンテナAntより輻射する。
しかしながら、上述のようにブロッキングコンデンサＣは、整合回路１７ａの整合部ＭＣの出力端に接続されているため、アンテナAntより輻射されるマイクロ波の信号成分の一部がキャビティ外に漏洩し、キャビティ１８内部のマイクロ波信号レベルが低下、あるいは不安定になるという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、安定したマイクロ波励振レベルを有して優れた特性を備えた光マイクロ波共鳴器用キャビティを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、開口部を有する金属製の空洞共鳴筒と、前記開口を密封するプリント基板と、前記空洞共鳴筒の外側に面する前記プリント基板の一方面に実装され高周波信号を整合して出力する整合回路と、前記空洞共鳴筒の内側に面する前記プリント基板の一方面に実装され前記整合回路から供給された高周波信号を逓倍あるいは混変調して前記空洞共鳴筒内部にマイクロ波を輻射するマイクロ波輻射部と、前記プリント基板の両面を密封して貫通すると共に前記整合回路と前記マイクロ波輻射部とを接続する貫通端子とを備えた光マイクロ波共鳴器用キャビティであって、
前記空洞共鳴筒の内側に面する前記貫通端子の一方の接続端と前記マイクロ波輻射部との間にマイクロ波ブロッキング用コンデンサを実装したことを特徴とする。

本発明においては、光マイクロ波共鳴器用キャビティの開口した一辺を密閉するプリント基板と、前記プリント基板外側の面に実装した高周波２信号の整合回路と、前記プリント基板の内側の面に実装したマイクロ波輻射部と、前記プリント基板を貫通して前記整合回路と前記マイクロ波輻射部とを接続する貫通端子とを備え、前記貫通端子の接続端（整合回路との接続端）にマイクロ波ブロッキング用コンデンサを実装する構成とした。
その結果、マイクロ波輻射部より輻射されたキャビティ励振用のマイクロ波がキャビティ外部へ漏洩することを防止でき、安定したレベルでマイクロ波を輻射してキャビティを励振することが可能となる。
したがって、本発明によれば、高安定で優れた光マイクロ波共鳴器用キャビティを実現する上で著しい効果を発揮する。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わるルビジウム原子発振器の一形態例を示す構成概要図である。
同図に示すように、本ルビジウム原子発振器１００は、ルビジウムランプ１１とルビジウムガスセル（以下、単にガスセルという）１２と光検出装置１３とマイクロ波発生回路１４とから成るキャビティ１５と、ランプ励振器１６と、を備えた光マイクロ波ユニット（0ptica1 Microwave Unit、以下、ＯＭＵという）２０と、電圧制御型水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）２１と、周波数制御回路２２と、変調・逓倍回路２３と、周波数変換回路２４とで構成される。

上記ルビジウム原子発振器１００の各構成部位は、マイクロ波発生回路１４とキャビティ１５を除いて、図４及び図５に示したＯＭＵ２０の同一の符号で示されたルビジウムランプ１１、ガスセル１２、光検出装置１３、ランプ励振器１６及び、ＶＣＸＯ２１、周波数制御回路２２、変調・逓倍回路２３並びに周波数変換回路２４と同一の構成、機能を有する。したがって、以下、従来例と同じ符号を有する各構成部位の詳細な説明は省略する。

図２は、本発明に係わる光マイクロ波共鳴器用キャビティの構成概要の一形態例を示す図であって、（ａ）は構成概要を示す模式図を、（ｂ）は（ａ）のキャビティの底面を密閉するプリント基板に実装されたマイクロ波発生回路の詳細説明図を示したものである。
同図（ａ）に示されるように、キャビティ１５は、一方の底面が開口し、他方の底面に励起光の透過孔１５ａを備え、内部にガスセル１２を収容した円筒状金属容器１５ｂの前記開口した底面を金属メッキが施されたプリント基板１５ｃで密閉して空洞共鳴筒を形成した構造を有する。
前記プリント基板１５ｃのキャビティ外側の面には、マイクロ波発生回路１４の一部を構成する整合回路１４ａが搭載され、また、前記プリント基板１５ｃのキャビティ内側と接する面には、マイクロ波発生回路１４の一部を構成するマイクロ波輻射部１４ｂと、光検出装置１３とが搭載されている。
また、このプリント基板１５ｃの両面を密封貫通する貫通端子１９ａ、１９ｂを介して、整合回路１４ａとマイクロ波輻射部１４ｂ、及び光検出装置１３と外部とは、それぞれ互いに接続されている。

また、同図（ｂ）に示されるように、マイクロ波発生回路１４の整合回路１４ａは、マイクロ波輻射部１４ｂのバラクタダイオード（例えばステップリカバリダイオード）Ｄの動作点を設定するバイアス部ＢＣと、前述した変調・逓倍回路２３及び周波数変換回路２４からの２つの高周波信号を効率よくマイクロ波輻射部１４ｂに伝送するための整合部ＭＣとで構成される。
また、マイクロ波輻射部１４ｂは、前記変調・逓倍回路２３及び周波数変換回路２４からの２つの高周波信号を逓倍・混変調して所定のマイクロ波を得るステップリカバリダイオードＤと、前記マイクロ波を輻射してキャビティ１５を励振するアンテナＡｎｔと、ブロッキングコンデンサＣとで構成される。そして、前記ブロッキングコンデンサＣは前記貫通端子１９ａのキャビティ内側の接続端子に接続されている。

上記のようにマイクロ波発生回路１４を構成することによって、本キャビティ１５においてマイクロ波輻射部用のアンテナＡｎｔより輻射されたマイクロ波は、前記ブロッキングコンデンサＣによってキャビティ内にそのエネルギーが閉じ込められるので、効率よくキャビティ１５を励振することができる。
図３は、試作した４つのキャビティにおいて、前記ブロッキングコンデンサＣを従来のように貫通端子１９ａのキャビティ外側の接続端子部分に接続した場合の励振レベルと、本発明のようにキャビティ内側の接続端子部分に接続した場合の励振レベルとの比較結果を示したものであり、図示しないキャビティ内に設けられたモニタ用の受信アンテナによって両者の励振レベルを測定している。
同図に示されるように、最大で約１２ｄＢ、最小で約４ｄＢの改善効果が得られているのが分かる。したがって、本発明が効率よくキャビティ１５を励振する上で極めて効果があることが確認できた。

本発明に係わるルビジウム原子発振器の一形態例を示す構成概要図。 本発明に係わる光マイクロ波共鳴器用キャビティの実施の一形態例を示す図で、（ａ）は構成概要を示す模式図、（ｂ）は（ａ）のキャビティの底面を密閉するプリント基板に装着されたマイクロ波発生回路の詳細説明図。 ブロッキングコンデンサを貫通端子のキャビティ外側の接続端子部分に接続した場合と、キャビティ内側の接続端子部分に接続した場合のマイクロ波の励振レベルを比較した表。 従来のルビジウム原子発振器の一例を示す構成概要図。 従来のキャビティの例を示す図で、（ａ）は構成概要を示す模式図、（ｂ）は（ａ）のキャビティの底面を密閉するプリント基板に装着されたマイクロ波発生回路の詳細説明図。

符号の説明

１１・・ルビジウムランプ、１２・・ルビジウムガスセル（ガスセル）、１３・・光検出装置、
１４・・マイクロ波発生回路、１４ａ・・整合回路、１４ｂ・・マイクロ波輻射部、
１５・・キャビティ、１５ａ・・透過孔、１５ｂ・・円筒状金属容器、１５ｃ・・プリント基板、
１６・・ランプ励振器、１７・・マイクロ波発生回路、１７ａ・・整合回路、
１７ｂ・・マイクロ波輻射部、１８・・キャビティ、１８ａ・・透過孔、
１８ｂ・・円筒状金属容器、１８ｃ・・プリント基板、１９ａ、１９ｂ・・貫通端子、
２０・・光マイクロ波ユニット（ＯＭＵ）、２１・・電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、
２２・・周波数制御回路、２３・・変調・逓倍回路、 ２４・・周波数変換回路、
５０、１００・・ルビジウム原子発振器、
Ａｎｔ・・アンテナ、ＢＣ・・バイアス部、Ｃ・・ブロッキングコンデンサ、
Ｄ・・ステップリカバリダイオードＤ、ＭＣ・・整合部

Claims (1)

1. 開口部を有する金属製の空洞共鳴筒と、前記開口を密封するプリント基板と、前記空洞共鳴筒の外側に面する前記プリント基板の一方面に実装され高周波信号を整合して出力する整合回路と、前記空洞共鳴筒の内側に面する前記プリント基板の一方面に実装され前記整合回路から供給された高周波信号を逓倍あるいは混変調して前記空洞共鳴筒内部にマイクロ波を輻射するマイクロ波輻射部と、前記プリント基板の両面を密封して貫通すると共に前記整合回路と前記マイクロ波輻射部とを接続する貫通端子とを備えた光マイクロ波共鳴器用キャビティであって、
   前記空洞共鳴筒の内側に面する前記貫通端子の一方の接続端と前記マイクロ波輻射部との間にマイクロ波ブロッキング用コンデンサを実装したことを特徴とする光マイクロ波共鳴器用キャビティ。
   

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