[发明专利]一种小型微波腔

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标和微波技术领域，更具体涉及一种原子频率标准用小型微波腔，主要应用于高性能小型化铷原子频标中。

背景技术

在现代军用移动通信中、火控指挥系统中、跳频通信系统中、战术数据链中、飞航式武器系统中、精确打击弹药系统中，小型、低功耗、轻重量、抗恶劣环境的铷原子钟都扮演着十分重要甚至是不可替代的角色。近十年来，被动型铷原子钟在提高稳定度指标、适应恶劣环境及小型化方面取得了重要进展，因此在众多原子频标中小型铷原子频标得到了最为广泛的应用。

被动型铷原子频标由物理系统及电子线路两大部分组成，其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔和光电探测器、C场、磁屏等，电子线路由压控晶体振荡器、隔离放大、综合、倍频、混频、伺服及相关辅助电路组成。物理系统提供量子参考频率，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的量子参考频率上。物理系统是被动型铷原子频率源的核心部件，起到鉴频器的作用，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，频率源正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子共振吸收峰上而获得稳定的频率输出的。由此可见频标的性能指标主要由物理系统决定，在被动型铷原子频标中，物理系统占据整机体积的大半部分，而物理系统中体积最大的部分又是微波腔，因此铷原子频标的小型化集中在微波腔的小型化。目前为获得微波腔小型化的方法主要有采用矩形TE101腔、圆柱形TE111腔、非标准腔及所谓的无腔结构。

采用TE101模可以获得体积最小的标准腔。这种腔的特点是需要一层平行Z方向的介质以压缩横向距离。该腔的优点是体积小，不足在于Q值低，它主要在早期的腔小型化方案中使用，详细内容可参考美国专利US.Pat.No.4495478。TE111是圆柱形腔的最低模式，采用这种模式并在腔内填充介质是当前进行微波腔小型化最普遍的方法之一。相关内容可参考美国专利US.Pub.No.Us2001/0035795A1，同时国内也有相似的专利申请，申请号200810045298.2、公开号CN101237077A。由于TE011模在圆柱形腔中比较难通过简单的介质填充等方式获得小型化，因此发展了各种非标准结构的微波腔，这也是减小微波腔体积的有效办法。此类腔的共同特点是腔内的结构构成集总的L-C形式。也因为由集总参数来决定谐振频率，所以他与标准腔的由几何结构分布形式来决定谐振频率的经典方式相比体积更容易小型化。目前非标准微波腔主要有磁控管腔，同轴腔和螺旋管腔。磁控管腔内有若干极片对称地固定在腔内，极片和极片间的空隙形成集总L-C结构，腔频就主要由极片和空隙的尺寸决定。用于铷原子频标的磁控管微波腔在Hartmut S.Schweda等人的专利US.Pat.No.5387781中有详细说明。基于磁控管技术的开槽管式微波腔也有类似的极片，但这些极片由圆筒对称的开槽到一定深度而得。该腔在梅刚华等人的专利US.Pat.No.6225870或CN1252628A中有详细说明。

另外一种非标准腔是基于同轴振荡器原理。它将伸进腔内的杆以及杆到腔壁的空间构成集总L-C结构。这种腔的谐振频率基本上只由两者几何参数决定，而腔可以在一定程度上不受大小形状限制。而且这种腔的磁矢量与光抽运方向垂直，外界附加磁场产生的干扰小。该腔的详细说明在邓金泉的专利US.Pat.No.6133800或CN1452798A。

螺线管振荡腔也是一种早期的非标准小型化腔方案，它把导线沿吸收泡柱面绕制成螺线型，螺线与线之间间隙构成L-C集总形式。相关详细描述可参考美国专利US.Pat.No.494713和US.Pat.No.5192921。

不需要共振的波导替代微波谐振腔也是减小腔泡系统体积的一种有效方法。在这种结构中，铷原子频标的吸收泡置于波导中，馈入的微波沿波导呈衰减传播形式去激励铷原子，而不要求波导结构谐振在原子频率。有关内容在GeroldSkoczen的专利US.Pat.No.5627497和Thomas C.English的专利US.Pat.No.5517157有详细说明。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种原子频率标准用小型微波腔，其结构简单，体积小，腔频易于调节，性能指标高，易于加工。