JP5292675B2 - Rubidium atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ルビジウム原子発振器の改良に関し、さらに詳しくは、マイクロ波を放射す
る放射用アンテナとルビジウムガスセルの金属溜まり部との適正な位置関係に関するもの
である。
The present invention relates to an improvement of a rubidium atomic oscillator, and more particularly to an appropriate positional relationship between a radiation antenna for radiating microwaves and a metal reservoir of a rubidium gas cell.
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置の
クロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源等として、高精度・高
安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、
発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。また、近
年、原子発振器の小型化への要求が高まり、光マイクロ波ユニット(OMU部)も含めて全
体を小型化する必要性に迫られている。この小型化に伴って、マイクロ波共振器も小型化
が余儀なくされている。しかし、マイクロ波共振器を小型化した場合、マイクロ波の放射
用アンテナとルビジウムガスセルの金属溜まり部が近接してしまい、種々の問題を発生す
る原因となっている。即ち、マイクロ波共振器はその特性上、共振用の筒(空胴共振器)
内に何らかの異物、特に金属が存在する場合、マイクロ波の共振にとって非常に損失とな
るばかりでなく、共振周波数自体が変化して共振特性が悪化するといった問題がある。言
い換えると、金属溜まり部と放射用アンテナとの位置関係が共振特性に大きく影響すると
いうことである。
In recent years, digital networks such as communication networks and broadcasting networks have been developed, and accordingly, a highly accurate and highly stable oscillator is required as a clock source used for generating clock signals for transmission devices and reference frequencies for broadcasting stations. It has become indispensable. As an oscillator that meets such requirements,
Rubidium atomic oscillators with high oscillation frequency accuracy and stability are often used. In recent years, the demand for miniaturization of atomic oscillators has increased, and there is an urgent need to miniaturize the whole including the optical microwave unit (OMU unit). Along with this miniaturization, the microwave resonator has to be miniaturized. However, when the microwave resonator is downsized, the microwave radiation antenna and the metal reservoir of the rubidium gas cell are close to each other, which causes various problems. In other words, the microwave resonator has a resonance tube (cavity resonator) due to its characteristics.
If there is some foreign matter, especially metal, there is a problem that not only is loss very much for microwave resonance, but also the resonance frequency itself changes to deteriorate the resonance characteristics. In other words, the positional relationship between the metal reservoir and the radiating antenna greatly affects the resonance characteristics.
この課題を解決する従来技術として特許文献1には、マイクロ波共振器が所望の波長の
マイクロ波に同調するように共振器の長さを変える同調方法に加えて、共振波長を短縮し
共振器の小型化を図るために、円筒型誘電体の一部に切り欠きを設け、この切り欠きの配
置角度を変えて同調できるようにして、同調範囲を拡大する技術について開示されている
。
しかしながら、特許文献1に開示されている従来技術は、誘電体に切り欠きを形成する
加工が必要となるため誘電体の部品コストが高くなるといった問題がある。また、特許文
献1は金属溜まり部とアンテナとの位置関係を考慮していないため、その位置関係が適切
でない場合、同調範囲が大幅に狭くなってしまうといった問題がある。
しかし、これまで金属溜まり部とアンテナとの位置関係が適正に設定されていないこと
に起因して発生していた不具合について着眼し、改善策を講じた提案はなされていない。
However, the conventional technique disclosed in Patent Document 1 has a problem that the cost of dielectric parts increases because it is necessary to form a notch in the dielectric. Further, since Patent Document 1 does not consider the positional relationship between the metal reservoir and the antenna, there is a problem that the tuning range is significantly narrowed if the positional relationship is not appropriate.
However, no proposal has been made that focuses on the problems that have arisen due to the fact that the positional relationship between the metal reservoir and the antenna has not been set appropriately, and has taken improvement measures.
本発明は、かかる課題に鑑み、放射用アンテナとルビジウム金属溜まり部の位置関係を
適正化することにより、マイクロ波共振器を小型化する際に生じる共振特性の悪化を抑制
することができるルビジウム原子発振器を提供することを目的とする。
また、他の目的は、放射用アンテナとルビジウム金属溜まり部の位置関係を適正化し、
マイクロ波強度を測定する受信用アンテナの適正な位置を決定することである。
In view of the above problems, the present invention provides a rubidium atom that can suppress deterioration of resonance characteristics that occur when a microwave resonator is downsized by optimizing the positional relationship between a radiation antenna and a rubidium metal reservoir. An object is to provide an oscillator.
Another purpose is to optimize the positional relationship between the radiation antenna and the rubidium metal reservoir,
It is to determine the proper position of the receiving antenna for measuring the microwave intensity.
本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウムガスを充填するガスセル本体及び該
ガスセル本体内で気化し切れないルビジウム金属を貯留するために前記ガスセル本体適所
から外部に突出した金属溜まり部を備えた筒状のガスセルと、マイクロ波を前記ガスセル
に向けて放射する放射用アンテナと、前記マイクロ波の強度を測定するために備えられた
受信用アンテナと、を有するマイクロ波共振器を備えたルビジウム原子発振器であって、
前記放射用アンテナと前記金属溜まり部との相対位置関係を、前記マイクロ波共振器内の
マイクロ波強度が所定の強度以上になるように設定されていることを特徴とする。
マイクロ波共振器を小型化すると、放射用アンテナとガスセルの金属溜まり部との位置
関係によっては、共振特性を悪化させてしまう場合がある。しかし、これまでこのような
問題点について着眼し、改善策を講じた提案はなされていない。そこで本発明では、共振
特性を悪化させない適正な位置関係を設定するために、放射用アンテナと金属溜まり部の
相対位置関係を、マイクロ波共振器内のマイクロ波強度が所定の強度以上になるように、
受信用アンテナにより測定して決定するものである。これにより、小型化に伴う共振特性
の悪化を最小限にすることができる。
In order to solve this problem, the present invention includes a gas cell main body filled with rubidium gas, and a metal reservoir that protrudes to the outside from the appropriate position of the gas cell main body in order to store rubidium metal that cannot be vaporized in the gas cell main body. A rubidium atom comprising a microwave resonator having a cylindrical gas cell, a radiation antenna for radiating microwaves toward the gas cell, and a receiving antenna provided for measuring the intensity of the microwave An oscillator,
The relative positional relationship between the radiation antenna and the metal reservoir is set so that the microwave intensity in the microwave resonator is equal to or higher than a predetermined intensity.
If the microwave resonator is downsized, the resonance characteristics may be deteriorated depending on the positional relationship between the radiation antenna and the metal reservoir of the gas cell. However, no proposal has been made so far, focusing on such problems and taking measures to improve it. Therefore, in the present invention, in order to set an appropriate positional relationship that does not deteriorate the resonance characteristics, the relative positional relationship between the radiating antenna and the metal reservoir is set so that the microwave intensity in the microwave resonator is equal to or higher than a predetermined strength. In addition,
It is determined by measuring with a receiving antenna. As a result, it is possible to minimize the deterioration of the resonance characteristics accompanying the downsizing.
また、前記ガスセルの軸方向と直交する断面に対して棒状の前記放射用アンテナを平行
に配置し、前記ガスセルの前記断面の中心点と前記金属溜まり部とを結ぶ直線と前記放射
用アンテナと直交する線との間に形成される角度が所定の範囲内になるように、前記金属
溜まり部、又は/及び、前記放射用アンテナを配置することを特徴とする。
本発明では、棒状の放射用アンテナをガスセルの軸方向(ルビジウムランプからの入射
光の光軸方向)と直交する断面に対して平行に配置し、ガスセルの中心と金属溜まり部を
結ぶ直線と放射用アンテナの垂線との間に形成される角度が、所定の角度になるように金
属溜まり部と放射用アンテナを相対的に配置するものである。これにより、何れか一方を
固定することにより、一義的に他方の位置を決定することができる。
The rod-shaped radiation antenna is arranged in parallel to a cross section orthogonal to the axial direction of the gas cell, and a straight line connecting the center point of the cross section of the gas cell and the metal reservoir is orthogonal to the radiation antenna. The metal reservoir or / and the radiating antenna are arranged so that an angle formed with a line to be within a predetermined range.
In the present invention, a rod-shaped radiation antenna is arranged in parallel to a cross section orthogonal to the axial direction of the gas cell (the optical axis direction of incident light from the rubidium lamp), and the straight line connecting the center of the gas cell and the metal reservoir is radiated. The metal reservoir and the radiating antenna are relatively arranged so that the angle formed between the vertical line of the antenna and the antenna is a predetermined angle. Thereby, the other position can be uniquely determined by fixing either one.
また、前記角度を120度±40度、又は−120度±40度の範囲としたことを特徴
とする。
この角度は正方向では80度から160度の範囲内であり、負方向ではマイナス80度
からマイナス160度の範囲内となる。このように角度の範囲と方向が設定されるので、
設定位置に自由度が生じマイクロ波共振器の組み立てが容易になる。
Further, the angle is in a range of 120 ° ± 40 ° or −120 ° ± 40 °.
This angle is in the range of 80 degrees to 160 degrees in the positive direction and in the range of minus 80 degrees to minus 160 degrees in the negative direction. Since the range and direction of angles are set in this way,
The setting position has a degree of freedom, and the microwave resonator can be easily assembled.
また、前記受信用アンテナを、前記放射用アンテナ及び前記金属溜まり部の双方から可
能な限り遠方に配置したことを特徴とする。
マイクロ波は周囲に金属等の異物が存在すると共振特性を悪化させる。そのため、金属
部分を有する受信用アンテナは共振特性に影響を与える虞がある。そこで本発明では、受
信用アンテナを放射用アンテナ及び金属溜まり部の双方から可能な限り遠方に配置するも
のである。これにより、受信用アンテナによる共振特性の影響を極力少なくすることがで
きる。
Further, the receiving antenna is arranged as far as possible from both the radiating antenna and the metal reservoir.
Microwaves deteriorate the resonance characteristics when there are foreign objects such as metal around them. Therefore, the receiving antenna having a metal part may affect the resonance characteristics. Therefore, in the present invention, the receiving antenna is arranged as far as possible from both the radiating antenna and the metal reservoir. Thereby, the influence of the resonance characteristic by the receiving antenna can be reduced as much as possible.
また、前記ガスセルの前記断面に対して棒状の前記受信用アンテナを平行に配置し、前
記角度を120度±40度の範囲とし、前記ガスセルの中心点を通過する前記放射用アン
テナと直交する線を基準とした角度が180度乃至270度の円弧の範囲内に前記受信用
アンテナを配置し、或いは前記角度を−120度±40度の範囲とし、前記ガスセルの中
心点を通過する前記放射用アンテナと直交する線を基準とした角度が−180度乃至−2
70度の円弧の範囲内に前記受信用アンテナを配置することを特徴とする。
受信用アンテナを放射用アンテナ及び金属溜まり部の双方から可能な限り遠方に配置す
る具体的な位置は、放射用アンテナ及び金属溜まり部双方の位置により異なる。即ち、放
射用アンテナ及び金属溜まり部の角度が120度±40度の場合、ガスセルの中心点を中
心とした角度が180度乃至270度の円弧の範囲内に受信用アンテナを配置し、角度が
−120度±40度の場合、ガスセルの中心点を中心とした角度が−180度乃至−27
0度の円弧の範囲内に受信用アンテナを配置するものである。これにより、放射用アンテ
ナ及び金属溜まり部双方の位置に対して夫々最適な位置に受信用アンテナを配置すること
ができる。
Also, the rod-shaped receiving antenna is arranged in parallel to the cross section of the gas cell, the angle is in a range of 120 ° ± 40 °, and a line orthogonal to the radiation antenna passing through the center point of the gas cell. The receiving antenna is arranged within an arc range of 180 degrees to 270 degrees with respect to the angle, or the angle is set to a range of −120 degrees ± 40 degrees, and the radiation antenna passes through the center point of the gas cell. The angle with respect to the line orthogonal to the antenna is -180 degrees to -2
The reception antenna is arranged within a range of a 70-degree arc.
The specific position where the receiving antenna is disposed as far as possible from both the radiating antenna and the metal reservoir differs depending on the positions of both the radiating antenna and the metal reservoir. That is, when the angle of the radiating antenna and the metal reservoir is 120 ° ± 40 °, the receiving antenna is disposed within an arc range of 180 ° to 270 ° around the center point of the gas cell. In the case of −120 degrees ± 40 degrees, the angle around the center point of the gas cell is −180 degrees to −27.
A receiving antenna is arranged within a 0-degree arc. As a result, the receiving antenna can be arranged at an optimum position with respect to the positions of both the radiating antenna and the metal reservoir.
また、少なくとも前記放射用アンテナ及び前記受信用アンテナを、プリント基板上に形
成したことを特徴とする。
放射用アンテナ及び受信用アンテナは、適正な角度に配置されれば、どのような形態で
も良いが、別途固定用の金属部材を用いずにアンテナを固定するためには、プリント基板
にアンテナのパターンを直接形成するのが好ましい。これにより、大量生産が可能となり
、部品コストを低減することができる。
In addition, at least the radiation antenna and the reception antenna are formed on a printed circuit board.
The radiating antenna and the receiving antenna may have any form as long as they are arranged at appropriate angles. However, in order to fix the antenna without using a separate fixing metal member, the antenna pattern is formed on the printed circuit board. Is preferably formed directly. As a result, mass production becomes possible, and component costs can be reduced.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1は本発明のルビジウム原子発振器の概略構成を示すブロック図である。このルビジ
ウム原子発振器100は、ルビジウムランプ(以下、Rbランプと記す)5を点灯するラ
ンプ励振部1と、ルビジウムガスセル(以下、Rbガスセルと記す)6中のルビジウムガ
スを励起するRbランプ5と、ルビジウム原子を封入したRbガスセル6と、Rbガスセ
ル6中のルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振するマイクロ波共振器3と、マイクロ波
共振器3にマイクロ波を放射する放射用アンテナ4と、マイクロ波共振器3内のマイクロ
波強度を測定する受信用アンテナ2と、Rbガスセル6を透過した光の強度を検出するフ
ォトセンサ7と、Amp9に現れる低周波振幅変調信号の位相を弁別する位相弁別器10
と、マイクロ波の位相を低周波により変調する低周波位相信号発生器11と、電圧制御水
晶発振器13の発振信号をマイクロ波に逓倍する周波数逓倍合成変調部12と、位相弁別
器10の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御水晶発振器13と、を備えて構
成されている。尚、Rbランプ5、マイクロ波共振器3及びフォトセンサ7により構成さ
れるユニットを光マイクロ波ユニット8と呼ぶ。また、周波数逓倍合成変調部12の出力
は放射用アンテナ4に接続されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a rubidium atomic oscillator of the present invention. The rubidium
And a low frequency phase signal generator 11 that modulates the phase of the microwave with a low frequency, a frequency multiplication and synthesis modulator 12 that multiplies the oscillation signal of the voltage controlled
次に、本発明のルビジウム原子発振器の動作については公知であるので、ここでは説明
を省略するが、本発明の主たる構成要素であるマイクロ波共振器3について概略を説明す
る。
ルビジウム原子発振器の動作プロセスにおいて、定常状態にあるエネルギ準位(F=1
)より高い準位(F=2)にある電子をF=1の準位に落とすためのマイクロ波の存在が
原子発振器として動作させるに当たって非常に重要であり、そのマイクロ波の強度を十分
高めるためにマイクロ波共振器が用いられる。そして、マイクロ波共振器3内に取り付け
た放射用アンテナ4から6.83468・・GHzを送出し、この周波数に共振するよう
にマイクロ波共振器は設計されている。また、実用上、マイクロ波共振器3内のマイクロ
波強度を測定するために放射用アンテナ4とは別に受信用アンテナ2を配置している。
Next, since the operation of the rubidium atomic oscillator of the present invention is known, the description thereof is omitted here, but the outline of the
In the operation process of the rubidium atomic oscillator, the energy level in a steady state (F = 1
) The presence of a microwave for dropping electrons in a higher level (F = 2) to the level of F = 1 is very important in operating as an atomic oscillator, and in order to sufficiently increase the intensity of the microwave. A microwave resonator is used. The microwave resonator is designed so as to transmit 6.83468 ·· GHz from the radiating
図2は本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の構成図である。図2(a)は側面
図、図2(b)は基板をアンテナ実装面から見た図、図2(A)は基板を除いた側面図、
図2(B)は基板を除いたときの正面図である。尚、本実施形態では、内部の配置を破線
で表している。
このマイクロ波共振器3は、Rbガスセル6を内部に保持すると共に、内部温度を所定
の温度に維持する円筒状のガスセル熱筒30と、ガスセル熱筒30の円筒内の長さを調整
して共振周波数を調整する同調調整用リング21と、ルビジウムガスを充填するガスセル
本体6b及びガスセル本体6b内で気化し切れないルビジウム原子を貯留するためにガス
セル本体6bの適所から外部に突出した金属溜まり部23を備えた筒状のRbガスセル6
と、マイクロ波をRbガスセル6に放射する放射用アンテナ4と、マイクロ波の強度を測
定するために備えられた受信用アンテナ2と、Rbガスセル6を透過した光の強度を検出
するフォトセンサ7と、共振波長を短縮する誘電体22と、を備えて構成されている(図
2(a)参照)。また、放射用アンテナ4及び受信用アンテナ2は、適正な角度に配置さ
れれば、どのような形態でも良いが、別途固定用の金属部材を用いずにアンテナを固定す
るためには、基板25にアンテナのパターンを直接形成するのが好ましい。これにより、
大量生産が可能となり、部品コストを低減することができる。即ち、受信用アンテナ2、
放射用アンテナ4及びフォトセンサ7は基板25に備えられ、基板25がネジ26により
ガスセル熱筒30に固定されている(図2(b)参照)。また、Rbガスセル6は誘電体
22に嵌挿されており、ガスセル熱筒30の円筒の中心軸の周りに回転できるようになっ
ているため、任意の回転位置でRbガスセル6を固定することができる。従って、金属溜
まり部23はRbガスセル6を回転することで位置を円状に移動することができる(図2
(A)、(B)参照)。
FIG. 2 is a configuration diagram of a microwave resonator according to an embodiment of the present invention. 2 (a) is a side view, FIG. 2 (b) is a view of the substrate viewed from the antenna mounting surface, and FIG. 2 (A) is a side view of the substrate removed.
FIG. 2B is a front view when the substrate is removed. In the present embodiment, the internal arrangement is indicated by a broken line.
This
A
Mass production is possible, and component costs can be reduced. That is, the receiving
The
(See (A) and (B)).
マイクロ波共振器3を小型化すると、放射用アンテナ4とRbガスセル6の金属溜まり
部23との位置関係によっては、共振特性を悪化してしまう場合がある。そこで本実施形
態では、共振特性を悪化させない適正な位置関係を設定するために、放射用アンテナ4と
金属溜まり部23の相対位置関係を、マイクロ波共振器3内のマイクロ波強度が所定の強
度以上になるように、受信用アンテナ2により測定して決定するものである。これにより
、小型化に伴う共振特性の悪化を最小限にすることができる。尚、受信用アンテナ2は同
調調整用リング21を調整する際にも使用される。
If the
図3は放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係を説明する図である。図3(a)は正
面図、図3(b)は基板とRbガスセルの相対位置関係を示す斜視図である。前述したよ
うに、放射用アンテナ4と金属溜まり部23の位置関係を適正にすることが、マイクロ波
共振器を小型化するために必要である。そこで本発明では、放射用アンテナ4と金属溜ま
り部23の相対位置関係を、Rbガスセル6の円周上に設けられた金属溜まり部23が回
転するときの角度αにより定義するものとする。即ち、放射用アンテナ4と金属溜まり部
23の相対位置関係は、マイクロ波共振器3内のマイクロ波強度が所定の強度以上になる
ように決定されなければならない。言い換えると、Rbガスセル6の円筒断面6aに対し
て放射用アンテナ4を平行に配置した場合、Rbガスセル6の円筒断面6aの中心Pと金
属溜まり部23を結ぶ直線PCと放射用アンテナ4に下ろした垂線ABとの成す角度α(
角APC)が所定の範囲内になるように、金属溜まり部23又は/及び放射用アンテナ4
を配置するものである。尚、角度αは放射用アンテナ4と金属溜まり部23が相対的に配
置されたときの角度であり、例えば、放射用アンテナ4を先に固定して金属溜まり部23
をRbガスセル6の円周上に回転しても良い。又は、金属溜まり部23を先に固定し、基
板25を回転して放射用アンテナ4を移動しても良い。
FIG. 3 is a diagram for explaining the positional relationship between the radiating antenna and the metal reservoir. FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a perspective view showing a relative positional relationship between the substrate and the Rb gas cell. As described above, it is necessary to make the positional relationship between the
The
Is to arrange. The angle α is an angle when the radiating
May be rotated on the circumference of the
図4は放射用アンテナと金属溜まり部の適正な位置関係を説明する図である。
本発明では、角度αの適正値を決定するために、後述する実施例により角度αを種々変
化させ、マイクロ波の強度を受信用アンテナ2で受信して測定することにより決定した(
詳細は後述する)。その結果、α=120°±40°とすることが最適であることが分か
った。
図4(a)はα=120°−40°=80°のときの放射用アンテナ4と金属溜まり部
23の位置関係を示したものであり、放射用アンテナ4と金属溜まり部23が最も接近し
た状態である。このとき放射用アンテナ4と金属溜まり部23のいずれもが、受信用アン
テナ2から最も離れた状態にある。図4(b)はα=120°のときの放射用アンテナ4
と金属溜まり部23の位置関係を示したものであり、放射用アンテナ4と受信用アンテナ
2の略中間に金属溜まり部23が位置した状態である。図4(c)はα=120°+40
°=160°のときの放射用アンテナ4と金属溜まり部23の位置関係を示したものであ
り、放射用アンテナ4と金属溜まり部23が最も離れた状態である。このとき、受信用ア
ンテナ2に金属溜まり部23が最も接近した状態にある。尚、角度αを反対方向に回転し
て、α=−120°±40°としても構わない。
FIG. 4 is a diagram for explaining an appropriate positional relationship between the radiation antenna and the metal reservoir.
In the present invention, in order to determine an appropriate value of the angle α, the angle α is variously changed according to an example described later, and the microwave intensity is received and measured by the receiving antenna 2 (
Details will be described later). As a result, it was found that α = 120 ° ± 40 ° is optimal.
FIG. 4A shows the positional relationship between the
The
The positional relationship between the radiating
本実施形態では、棒状の放射用アンテナ4をRbガスセル6の軸方向と直交する断面に
対して平行に配置し、Rbガスセル6の中心Pと金属溜まり部23を結ぶ直線と放射用ア
ンテナ4に下ろした垂線との成す角度αが、所定の角度になるように金属溜まり部23と
放射用アンテナ4を相対的に配置するものである。これにより、金属溜まり部23或いは
放射用アンテナ4の何れか一方を先に固定することにより、一義的に他方の位置を決定す
ることができる。
また、この角度αは正方向では80°〜160°の範囲内であり、負方向では−80°
〜−160°の範囲内となる。このように角度の範囲と方向が設定されるので、設定位置
に自由度が生じマイクロ波共振器の組み立てが容易になる。
In this embodiment, the rod-shaped
Further, the angle α is in the range of 80 ° to 160 ° in the positive direction, and −80 ° in the negative direction.
Within the range of -160 °. Thus, since the range and direction of the angle are set, a degree of freedom is generated at the set position, and the microwave resonator can be easily assembled.
以上のように、放射用アンテナ4と金属溜まり部23の位置関係を決定したが、同時に
受信用アンテナ2の位置も適正に配置する必要がある。即ち、マイクロ波は周囲に金属等
の異物が存在すると共振特性を悪化させる。そのため、金属部材を有する受信用アンテナ
2も、共振特性に影響を与える虞がある。そこで本実施形態では、受信用アンテナ2を放
射用アンテナ4及び金属溜まり部23の双方から可能な限り遠方に配置するよう考慮して
いる。これにより、受信用アンテナ2による共振特性の影響を極力少なくすることができ
る。
またその位置としては図5に示すように、Rbガスセル6の円筒断面6aに対して受信
用アンテナ2を平行に配置し、角度α=120°±40°の範囲とし、Rbガスセル6の
円筒断面6aの円弧角度βが180°〜270°の円弧Sの範囲内に受信用アンテナ2を
配置するのが好ましい。或いは、α=−120°±40°の範囲とし、Rbガスセル6の
円筒断面の円弧角度βが−180°〜−270°の円弧の範囲内に受信用アンテナ2を配
置することが好ましい。これにより、放射用アンテナ4及び金属溜まり部23双方の位置
に対して夫々最適な位置に受信用アンテナ2を配置することができる。
As described above, the positional relationship between the
Further, as shown in FIG. 5, the receiving
図6は本発明のマイクロ波共振器の放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係(角度α
)と、マイクロ波強度の関係を示す図である。尚、各マイクロ波強度は後述する図9〜図
17により測定した値の最大値をプロットしている。縦軸はマイクロ波強度(dBm)で
あり、横軸は角度θ(α)(°)である。尚、データ(図9〜図17)を測定するときの
角度θの基準点が図3で説明した角度αの基準点と異なるので、換算して対応付けて表示
している。即ち、図7のように放射用アンテナ4の端部Dで直線33と円34が接するよ
うに描き、端部Dから直線33に直交する垂線32を引いたとき、円34の中点Pを通る
前記垂線32と、中点Pと金属溜まり部23を結ぶ直線PQとの成す角度をθと定義する
。
図6が示すように、最も強い強度(−22.01dBm)を示す角度はθ=45°(α
=90°)のときであり、最も弱い強度(−37.4dBm)を示す角度はθ=270°
(α=315°)のときであることが分かる。即ち、図4で決定したα=80°〜160
°は図6の範囲Aに相当し、実験からマイクロ波強度が強い範囲であることが実証された
。
FIG. 6 shows the positional relationship (angle α) between the radiation antenna of the microwave resonator of the present invention and the metal reservoir.
) And the microwave intensity. In addition, each microwave intensity plots the maximum value of the value measured by FIGS. 9-17 mentioned later. The vertical axis represents the microwave intensity (dBm), and the horizontal axis represents the angle θ (α) (°). Note that the reference point for the angle θ when measuring the data (FIGS. 9 to 17) is different from the reference point for the angle α described with reference to FIG. That is, as shown in FIG. 7, when the
As shown in FIG. 6, the angle indicating the strongest intensity (−22.01 dBm) is θ = 45 ° (α
= 90 °), and the angle indicating the weakest intensity (−37.4 dBm) is θ = 270 °.
It can be seen that (α = 315 °). That is, α = 80 ° to 160 determined in FIG.
° corresponds to the range A in FIG. 6, and it was proved from the experiment that the microwave intensity was strong.
図8は本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の分解構成図である。同じ構成要素
には図2と同じ参照番号を付して説明する。モールドブロック34は、同調調整用リング
21を備えるよう構成されており、これをガスセル熱筒30にセットするようになってい
る。また、Rbガスセル6は誘電体22の中空部分である中心孔22aに挿入されガスセ
ル熱筒30内に保持される。また、基板25には予め金属溜まり部23と前述した位置関
係になるように放射用アンテナ4と受信用アンテナ2が実装されている。そしてこれらを
軸XYが中心軸となるように組み立てることにより、一つのマイクロ波共振器3が完成す
る。
FIG. 8 is an exploded configuration diagram of the microwave resonator according to the embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. The
図9〜図17は、図7の角度θを0°、45°、90°、135°、180°、225
°、270°、315°、360°にそれぞれ設定した場合の、マイクロ波強度の周波数
特性を示したものである。縦軸はマイクロ波の強度(dBm)であり、横軸は周波数(周
波数幅:200MHz)である。ここで、Aはマイクロ波強度が最大となった点を示して
いる。例えば、図9の角度θ=0°の場合で説明すると、マイクロ波の周波数が6.88
05GHzのときに、マイクロ波の強度が最大−25.32dBmになることを示してい
る。
9 to 17, the angle θ in FIG. 7 is set to 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, and 225.
It shows the frequency characteristics of the microwave intensity when set to °, 270 °, 315 °, and 360 °, respectively. The vertical axis represents the microwave intensity (dBm), and the horizontal axis represents the frequency (frequency width: 200 MHz). Here, A indicates a point where the microwave intensity is maximized. For example, in the case of the angle θ = 0 ° in FIG. 9, the microwave frequency is 6.88.
When the frequency is 05 GHz, the maximum intensity of the microwave is −25.32 dBm.
1 ランプ励振部、2 受信用アンテナ、3 マイクロ波共振器、4 放射用アンテナ
、5 Rbランプ、6 Rbガスセル、7 フォトセンサ、8 光マイクロ波ユニット、
9 Amp、10 位相弁別器、11 低周波位相信号発生器、12 周波数逓倍合成変
調部、13 電圧制御水晶発振器、21 同調調整用リング、22 誘電体、23 金属
溜まり部、25 基板、30 ガスセル熱筒、100 ルビジウム原子発振器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lamp excitation part, 2 Reception antenna, 3 Microwave resonator, 4 Radiation antenna, 5 Rb lamp, 6 Rb gas cell, 7 Photo sensor, 8 Optical microwave unit,
9 Amp, 10 Phase discriminator, 11 Low frequency phase signal generator, 12 Frequency multiplication / synthesis modulator, 13 Voltage controlled crystal oscillator, 21 Tuning adjustment ring, 22 Dielectric, 23 Metal reservoir, 25 Substrate, 30 Gas cell heat Tube, 100 rubidium atomic oscillator
Claims (1)
前記ルビジウム原子を封入しているガスセル本体と、 A gas cell body containing the rubidium atoms;
前記ガスセル本体から外部に突出していてルビジウム金属を貯留するための金属溜まり Metal reservoir for storing rubidium metal that protrudes outward from the gas cell body
部を備えているガスセルと、A gas cell comprising a section;
マイクロ波を前記ガスセルに向けて放射する放射用アンテナと、 A radiation antenna for radiating microwaves toward the gas cell;
前記マイクロ波を受信する受信用アンテナと、 A receiving antenna for receiving the microwave;
を有するマイクロ波共振器を備え、A microwave resonator having
前記金属溜まり部が、前記ガスセルの前記放射用アンテナと前記受信用アンテナとがあ The metal reservoir has the radiation antenna and the reception antenna of the gas cell.
る側の端に寄っていて、Close to the edge
前記ガスセルの軸方向と直交する断面に対して棒状の前記放射用アンテナを平行に配置 The rod-shaped radiation antenna is arranged in parallel to the cross section perpendicular to the axial direction of the gas cell.
され、And
前記軸方向からの平面視で、前記断面の中心点と前記金属溜まり部とを結ぶ直線と、前 A straight line connecting the center point of the cross section and the metal reservoir in a plan view from the axial direction;
記中心点を通過して前記放射用アンテナと直交する線との間に形成される角度が80度以The angle formed between the radiating antenna and the line perpendicular to the radiating antenna is 80 degrees or more.
上160度以下の範囲にあり、前記断面の中心点を通過して前記放射用アンテナと直交すIt is in the range of 160 degrees or less above, passes through the center point of the cross section and is orthogonal to the radiation antenna
る線を基準とした角度が180度以上270度以下の範囲に前記受信用アンテナが配置さThe receiving antenna is arranged in an angle range of 180 degrees or more and 270 degrees or less with respect to the line to be
れている、Being
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。A rubidium atomic oscillator characterized by that.
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