專利名稱：一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于通信、導(dǎo)航定位、計量等領(lǐng)域的原子頻標(biāo)，更具體涉及一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，它尤其適用于高性能銣原子頻標(biāo)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，原子頻標(biāo)在通信，導(dǎo)航，守時授時等各種科研領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而銣原子頻標(biāo)由于具有功耗低，體積小，價格廉更是在電力，電信，計量校準(zhǔn)，雷達設(shè)備提供高精度時間和頻率基準(zhǔn)得到大量應(yīng)用；尤 其是在現(xiàn)代軍用移動通信中，輕便型，抗惡劣環(huán)境的銣原子頻標(biāo)更是具有不可替代的作用。被動型銣原子鐘是利用銣原子基態(tài)能級中的I F=2，mF=0>和I F=l，mF=0>之間穩(wěn)定的躍遷譜線作為參考標(biāo)準(zhǔn)，躍遷頻率為6834. 6875MHz，通過光、微波與原子的雙共振及鎖頻環(huán)路將87Rb原子的0-0躍遷譜線的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性傳遞給本振。銣原子頻標(biāo)由電子線路和物理系統(tǒng)兩部分組成，其中電子線路由壓控晶體振蕩器、隔離放大、綜合、微波倍頻、混頻、伺服及相關(guān)輔助電路組成；物理系統(tǒng)由光譜燈，集成濾光吸收泡，微波腔，光電池，C場等組成。物理系統(tǒng)是銣原子頻標(biāo)的核心部件，它提供一個頻率穩(wěn)定，線寬較窄的原子共振吸收曲線，通過頻率鎖定環(huán)路將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在原子的共振吸收峰上，從而得到穩(wěn)定的頻率輸出。銣原子頻標(biāo)性能主要由物理系統(tǒng)決定，微波與銣原子發(fā)生共振的場所便是微波諧振腔?？梢?，微波諧振腔是銣原子頻標(biāo)的一個重要組成部分，諧振腔的結(jié)構(gòu)，特性將會影響銣原子頻標(biāo)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。在被動型銣原子頻標(biāo)中，物理系統(tǒng)占據(jù)整機體積的大半部分，而物理系統(tǒng)中體積最大的部分又是微波腔，因此銣原子頻標(biāo)的小型化集中在微波腔的小型化?？紤]到銣原子頻標(biāo)小型化的綜合要求，微波腔的設(shè)計需要考慮以下幾個因素在共振區(qū)形成與量子化軸方向平行的微波磁場。而且在共振作用區(qū)——吸收泡內(nèi)的磁場比較強；具有合適的Q值。Q值過低，腔的損耗過大，要求輸入的射頻功率大，電路工作難度增大，且不利于微波倍頻混頻的邊帶抑制；但Q值過高會使腔牽引效應(yīng)增大，影響整機指標(biāo)；腔的諧振頻率與87Rb的鐘躍遷頻率匹配；并且腔體積要小，便于加工與制作。腔小型化首先是要選擇合適的腔模，腔模的選擇要求為腔填充因子足夠大和腔體積盡可能小。一般可用于被動型銣原子頻標(biāo)的腔模有三種圓柱形TElll模、圓柱形TEOll模和矩形TElOl模。TElOl模腔與其它模式腔有所不同，就是腔中垂直于x軸的一邊必須有介質(zhì)填充層，用以減小激勵場沿X軸的變化，從而獲得適宜于被動型銣原子頻標(biāo)工作的微波場。這種腔的體積最小，但損耗大，填充因子低，故極少應(yīng)用于被動型銣原子頻標(biāo)。在三種模式的微波腔中，TEOlI模式的腔Q最大，且其微波磁場最強的部分在腔的中軸線附近，正好是集成泡中光-微波雙共振的主要作用區(qū)，腔填充因子最高。但這種模式的腔尺寸大，不易小型化，且由于TEOll模并非圓柱腔的主模，其結(jié)構(gòu)設(shè)計稍有不慎就可能在其諧振頻率范圍內(nèi)激勵出其他模式的微波場。
在此微波腔小型化設(shè)計中，選用的是TEl 11腔。當(dāng)諧振頻率相同時，TEl 11腔的體積遠比TEOll腔小，且TElll模是圓柱形腔的主模，其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。盡管它的腔Q及場形分布比TEOll腔差，但足以滿足被動型銣原子頻標(biāo)小型化的綜合指標(biāo)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種適用于銣原子頻標(biāo)用的腔泡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，腔頻微調(diào)簡便，性能指標(biāo)聞，易于加工。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施
一種小型化銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，包括加熱功率管、加熱筒體、微波腔體、C場線圈、介質(zhì)筒、集成濾光吸收泡、微波電路板、光電池、階躍二極管和耦合環(huán)。其特征在于微波腔體采用高導(dǎo)磁材料的鐵鎳合金或者y金屬，微波場型采用TElll模，其磁場分別位于微波腔體的兩側(cè)邊，磁力線方向相反，由于集成濾光吸收泡通過導(dǎo)熱硅脂固定在介質(zhì)筒里面，而介質(zhì)筒中是挖空部分與外圓不是同軸心的，使得集成濾光吸收泡剛好處于微波腔體的一側(cè)邊，此處的磁場是最強的，發(fā)生的微波磁共振也是最強的。其耦合方式是磁耦合，微波磁場的方向與耦合環(huán)垂直，在整個集成泡中，微波磁場的指向沿量子化軸的方向，加熱筒體為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，加熱筒體一端為全封閉端(僅留射頻電纜、光檢線及C場線圈出口)；加熱功率管用螺釘固定在加熱筒體上，C場線圈繞制在介質(zhì)筒上，兩端由結(jié)緣卡環(huán)固定；集成濾光吸收泡與介質(zhì)筒，C場線圈，絕緣卡環(huán)一起置于微波腔體內(nèi)，微波電路板蓋在微波腔體敞開一端，與微波腔體一起置于加熱筒內(nèi)，磁屏蔽效果好；耦合環(huán)一端與階躍二極管連接，另一端與外部射頻信號線連接；階躍二極管焊接在微波電路板上，光電池粘在微波電路板的位置上，耦合環(huán)正好置于與介質(zhì)筒厚度大的那一邊上空；加熱功率管用螺釘固定在微波腔體上。集成濾光吸收泡由泡體和泡尾組成，泡體為兩頭封閉，內(nèi)部抽真空的圓柱體，內(nèi)部充有金屬銣和緩沖氣體，泡體和泡尾由抗堿玻璃材料制成。腔內(nèi)電路板有光電池，階躍二極管和耦合環(huán)，其對外連接的半剛性電纜包括射頻饋入線、光檢輸出線和C場線圈，其中各個器件的位置如圖3所示，其中電路板焊盤第一通孔為光電池的正負極出線孔，焊盤第二通孔為射頻饋入線和C場線圈出線孔，腔內(nèi)電路板蓋在微波腔筒敞開端上方，置于加熱筒內(nèi)部。本發(fā)明相對現(xiàn)有的技術(shù)有兩個方面的優(yōu)點首先是本發(fā)明可有效的減小微波腔體積；其次本發(fā)明對諧振頻率調(diào)節(jié)簡單有效。具體論述如下本發(fā)明采用的是圓柱形微波腔的TElll諧振模式微波腔兩側(cè)附近磁場最強且平行于軸線。TElll是圓柱形微波腔的主模，利用高導(dǎo)磁材料做腔省去了專門金屬材料微波腔，使得微波腔結(jié)構(gòu)簡化、體積減小，屏蔽效果好。同時利用高介電常數(shù)，低介質(zhì)損耗的陶瓷填充，使微波腔體積進一步減小，并且由于偏離中軸線的放置集成濾光吸收泡，使其正好處于TElll磁場的最強處，達到降低微波腔體積的目的。本發(fā)明可通過旋轉(zhuǎn)介質(zhì)筒及集成吸收濾光泡與耦合環(huán)的相對角度來調(diào)節(jié)腔頻。當(dāng)介質(zhì)筒與耦合環(huán)的相對角度發(fā)生0-90度變化時，磁共振的工作區(qū)集成濾光吸收泡就處在磁場由弱到強的連續(xù)變化區(qū)，從而弓I起腔頻的變化。


圖I為一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意2為一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)中C場繞制在介質(zhì)上的示意3為一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)中腔蓋板的組件示意4為一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)的剖視圖
圖5為一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)中加熱筒和加熱功率管安裝示意圖其中:加熱功率管I (如Fairchild的T I P 125、126、127等)、加熱筒體2 (如鋁或銅等金屬)、微波腔體3 (如鐵鎳合金或y金屬)、C場線圈4如Elektrisola的155系列或180系列)、絕緣卡環(huán)5 (如聚砜)、介質(zhì)筒6 (三氧化二鋁陶瓷)、集成濾光吸收泡7 (抗堿玻璃材料)、微波電路板8 (普通FR4板材)、光電池9 (如E G & G的V T S 20 / 21系列或30 / 31系列)、階躍二極管10 (如M - p I u s e的M P 4022等)和耦合環(huán)11 (由直徑為I毫米的銀棒制作而成)
具體實施例方式實施例I :一種銣原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)，它包括加熱功率管I、加熱筒體2、微波腔體3、C場線圈4、絕緣卡環(huán)5，介質(zhì)筒6、集成濾光吸收泡7、微波電路板8、光電池9、階躍二極管10和耦合環(huán)11。其特征在于微波腔體3采用高導(dǎo)磁材料的鐵鎳合金或者y金屬，微波場型采用TElll模,稱合方式是磁稱合,微波磁場的方向與稱合環(huán)垂直。在整個集成泡中，大部分微波磁場的指向沿量子化軸的方向。加熱筒體2為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，加熱筒體(2) —端為全封閉端(僅留射頻電纜、光檢線及C場線圈出口)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱均勻，便于加工安裝，加熱功率管I用螺釘固定在加熱筒2上，C場線圈4繞制在介質(zhì)筒6上，兩端由結(jié)緣卡環(huán)5固定，集成濾光吸收泡7用導(dǎo)熱硅膠固定在介質(zhì)筒6里面，介質(zhì)筒6放入微波腔體3內(nèi)，再用導(dǎo)熱膠將其固定，耦合環(huán)11 一端與外部的射頻信號線相連，另一端與階躍二極管10直接連接，階躍二極管10焊接在微波電路板8上，光電池9粘在微波電路板8合適的位置上。所述的其介質(zhì)筒6為偏心介質(zhì)圓筒,中空部分用于放集成濾光吸收泡7。所述的微波腔體3內(nèi)的TElll模為非標(biāo)準(zhǔn)模，電場最強的兩個區(qū)域和磁場最強的一個區(qū)域分布在介質(zhì)筒6內(nèi)，磁場最強的另一區(qū)域分布在集成吸收濾光泡7內(nèi)部。所述的可通過旋轉(zhuǎn)介質(zhì)筒6及集成濾光吸收泡7與微波電路板8的相對角度來調(diào)節(jié)腔頻。所述的介質(zhì)筒6是由高介電常數(shù)，低介質(zhì)損耗的材料制成。所述的微波電路板8包含有耦合環(huán)11，階躍二極管10，光電池9及對外連接的射頻軟電纜。所述的光電池9輸出線的正負極和C場線圈4通過加熱筒體2上的電路板焊盤第一通孔12a，電路板焊盤第二通孔12b穿出，與銣原子頻標(biāo)外部伺服電路相連接。所述的加熱筒體2形狀為外方內(nèi)圓，且一端是完全封閉的，僅留有光電池9輸出線，C場線圈4及射頻電纜的穿出孔。所述的加熱功率管I用螺絲固定在加熱筒體2側(cè)面，熱敏電阻用導(dǎo)熱膠固定在加熱筒體2徑向加工的鉆孔13里面。
本發(fā)明是基于圓柱形微波腔的TElll諧振模，微波腔體3 (如圖I)采用高導(dǎo)磁材料的鐵鎳合金或者U金屬，由于TElll模的磁場集中在微波腔體3的兩側(cè)邊，而集成濾光吸收泡剛好處于微波腔體的一側(cè)邊，此處的磁場是最強的，發(fā)生的微波磁共振也是最強的。微波腔體3 (如圖4)的一端敞開的，與加熱筒體2之間放置有腔內(nèi)微波電路板8，作為腔蓋；微波腔體3另一端為半封閉端，開有一個偏心圓形通光孔，便于抽運光的通過。本發(fā)明中加熱功率管I用螺釘固定在加熱筒體2 (如圖5)上，熱敏電阻(圖中未示出)埋入加熱筒封閉端打好的孔13內(nèi)，為小型化銣原子頻標(biāo)整個腔泡系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境。
本發(fā)明中C場線圈4 (如圖2)緊密繞制在介質(zhì)筒6上，兩端用絕緣卡環(huán)4固定，為集成濾光吸收泡7中銣的工作區(qū)提供穩(wěn)定的磁場，該磁場方向平行于圓柱形微波腔TElll諧振模的磁場方向。將集成濾光吸收泡7放入介質(zhì)筒6中挖空的圓柱中，用導(dǎo)熱硅膠固定，一起放入微波腔體3內(nèi)，同時再用導(dǎo)熱硅膠將其固定，導(dǎo)熱硅膠能使集成濾光吸收泡7在介質(zhì)筒6內(nèi)具有一定的機械強度且導(dǎo)熱；并使C場線圈4、介質(zhì)筒6在微波腔里具有一定的機械強度且導(dǎo)熱。本發(fā)明中腔內(nèi)微波電路板8 (如圖3)用于承載腔內(nèi)器件，并作為電氣連接的過渡板，版面焊接有階躍二極管10、光電池9耦合環(huán)11以及對外連接的半剛性電纜。移動介質(zhì)筒6與腔內(nèi)微波電路板8的相對角度能對微波腔體3的諧振頻率進行微調(diào)。本發(fā)明中光電池9用耐高溫膠粘在腔內(nèi)微波電路板8上(如圖3 )，受光面正對集成濾光吸收泡7和微波腔體3的圓形通光孔，用于接收光信號。本發(fā)明中耦合環(huán)11(如圖3) —端與階躍二極管10直接電氣連接，另一端與射頻饋入線相連，耦合環(huán)11與光電池9的一邊平行。耦合環(huán)11用于激勵起TElll微波諧振模，同時具有減小微波腔體3體積和調(diào)節(jié)微波腔體3諧振頻率的作用。本發(fā)明中階躍二極管10焊接在腔內(nèi)微波電路板8上，用于產(chǎn)生激發(fā)銣原子躍遷的微波信號。
權(quán)利要求
1.一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，它包括加熱功率管(I)、微波腔體(3)、c場線圈(4)、介質(zhì)筒(6)、微波電路板(8)、階躍二極管(10)和耦合環(huán)(11)，其特征在于微波腔體(3)采用高導(dǎo)磁材料的鐵鎳合金或者μ金屬，微波場型采用TElll模，其磁場分別位于微波腔體(3)的兩側(cè)邊，集成濾光吸收泡通過導(dǎo)熱硅脂固定在介質(zhì)筒(6)里面，介質(zhì)筒(6)中是挖空部分與外圓不是同軸心，集成濾光吸收泡處于微波腔體(3)的一側(cè)，微波磁場的方向與耦合環(huán)垂直，加熱筒體(2)為外方內(nèi)圓，加熱筒體(2)—端為全封閉端，加熱功率管(I)用螺釘固定在加熱筒(2)上,C場線圈(4)繞制在介質(zhì)筒(6)上，兩端由結(jié)緣卡環(huán)(5)固定，集成濾光吸收泡與介質(zhì)筒(6)、C場線圈(4)、絕緣卡環(huán)(5)—起置于微波腔體(3)內(nèi)，微波電路板(8)蓋在微波腔體(3)敞開一端,與微波腔體(3) —起置于加熱筒(2)內(nèi)，稱合環(huán)(11) 一端與階躍二極管(10)連接，另一端與外部射頻信號線連接；階躍二極管(10)焊接在微波電路板(8)上，光電池(9)粘在微波電路板(8)上，耦合環(huán)(11)置于與介質(zhì)筒(6)上空，加熱功率管用螺釘固定在微波腔體(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其特征在于所述的介質(zhì)筒(6)為偏心介質(zhì)圓筒,中空放集成濾光吸收泡(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其特征在于所述的微波腔體(3)內(nèi)的TElll模為非標(biāo)準(zhǔn)模，電場的兩個區(qū)域和磁場的一個區(qū)域分布在介質(zhì)筒(6 )內(nèi)，磁場的另一區(qū)域分布在集成吸收濾光泡(7)內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其特征在于所述的介質(zhì)筒(6)是由高介電常數(shù)，低介質(zhì)損耗的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其特征在于所述的光電池(9)輸出線的正負極和C場線圈(4)通過加熱筒體(2)上的第一通孔(12a)，第二通孔(12b)穿出，與銣原子頻標(biāo)外部伺服電路相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實用小型銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其特征在于所述的加熱功率管(I)用螺絲固定在加熱筒體(2 )側(cè)面，熱敏電阻用導(dǎo)熱膠固定在加熱筒體(2 )徑向加工的鉆孔(13)里面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，集成濾光吸收泡通過導(dǎo)熱硅脂固定在介質(zhì)筒里面，集成濾光吸收泡處于微波腔體的一側(cè)，微波磁場的方向與耦合環(huán)垂直,加熱筒體一端為全封閉端,加熱功率管用螺釘固定在加熱筒上，C場線圈繞制在介質(zhì)筒上,兩端由結(jié)緣卡環(huán)固定,集成濾光吸收泡與介質(zhì)筒、C場線圈、絕緣卡環(huán)一起置于微波腔體內(nèi)，微波電路板蓋在微波腔體敞開一端，與微波腔體一起置于加熱筒內(nèi)，耦合環(huán)一端與階躍二極管連接，另一端與外部射頻信號線連接；階躍二極管焊接在微波電路板上，光電池粘在微波電路板上，加熱功率管用螺釘固定在微波腔體上。其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，腔頻微調(diào)簡便，性能指標(biāo)高，易于加工。
文檔編號H03L7/26GK102769464SQ20121027994
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者余鈁, 李超, 湯超, 盛榮武, 秦蕾, 管妮娜, 金鑫, 陳智勇, 高偉 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所