專利名稱：一種小型微波腔的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及原子頻標和微波技術(shù)領域，更具體涉及一種原子頻率標準用小型微波
腔，主要應用于高性能小型化銣原子頻標中。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代軍用移動通信中、火控指揮系統(tǒng)中、跳頻通信系統(tǒng)中、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中、飛航 式武器系統(tǒng)中、精確打擊彈藥系統(tǒng)中，小型、低功耗、輕重量、抗惡劣環(huán)境的銣原子鐘都扮演 著十分重要甚至是不可替代的角色。近十年來，被動型銣原子鐘在提高穩(wěn)定度指標、適應惡 劣環(huán)境及小型化方面取得了重要進展，因此在眾多原子頻標中小型銣原子頻標得到了最為 廣泛的應用。 被動型銣原子頻標由物理系統(tǒng)及電子線路兩大部分組成，其中物理系統(tǒng)包括光譜 燈、集成濾光共振泡、微波腔和光電探測器、C場、磁屏等，電子線路由壓控晶體振蕩器、隔離 放大、綜合、倍頻、混頻、伺服及相關輔助電路組成。物理系統(tǒng)提供量子參考頻率，電子線路 與物理系統(tǒng)構(gòu)成一個頻率鎖定環(huán)路，用以將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在物理系統(tǒng)的 量子參考頻率上。物理系統(tǒng)是被動型銣原子頻率源的核心部件，起到鑒頻器的作用，它提供 一個頻率穩(wěn)定、線寬較窄的原子共振吸收線，頻率源正是通過將壓控晶體振蕩器的輸出頻 率鎖定在物理系統(tǒng)的原子共振吸收峰上而獲得穩(wěn)定的頻率輸出的。由此可見頻標的性能指 標主要由物理系統(tǒng)決定，在被動型銣原子頻標中，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，因此銣原子頻標的小型化集中在微波腔的小型化。 目前為獲得微波腔小型化的方法主要有采用矩形TE101腔、圓柱形TE111腔、非標準腔及所 謂的無腔結(jié)構(gòu)。 采用TE101?？梢垣@得體積最小的標準腔。這種腔的特點是需要一層平行Z方向 的介質(zhì)以壓縮橫向距離。該腔的優(yōu)點是體積小，不足在于Q值低，它主要在早期的腔小型 化方案中使用，詳細內(nèi)容可參考美國專利US. Pat. No. 4495478。 TE111是圓柱形腔的最低 模式，采用這種模式并在腔內(nèi)填充介質(zhì)是當前進行微波腔小型化最普遍的方法之一。相關 內(nèi)容可參考美國專利US. Pub. No. Us2001/0035795A1，同時國內(nèi)也有相似的專利申請，申請 號200810045298. 2、公開號CN101237077A。由于TE011模在圓柱形腔中比較難通過簡單 的介質(zhì)填充等方式獲得小型化，因此發(fā)展了各種非標準結(jié)構(gòu)的微波腔，這也是減小微波腔 體積的有效辦法。此類腔的共同特點是腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成集總的L-C形式。也因為由集總參 數(shù)來決定諧振頻率，所以他與標準腔的由幾何結(jié)構(gòu)分布形式來決定諧振頻率的經(jīng)典方式相 比體積更容易小型化。目前非標準微波腔主要有磁控管腔，同軸腔和螺旋管腔。磁控管腔 內(nèi)有若干極片對稱地固定在腔內(nèi)，極片和極片間的空隙形成集總L-C結(jié)構(gòu)，腔頻就主要由 極片和空隙的尺寸決定。用于銣原子頻標的磁控管微波腔在Hartmut S. Schweda等人的 專利US. Pat. No. 5387781中有詳細說明?；诖趴毓芗夹g(shù)的開槽管式微波腔也有類似的 極片，但這些極片由圓筒對稱的開槽到一定深度而得。該腔在梅剛?cè)A等人的專利US. Pat. No. 6225870或CN1252628A中有詳細說明。
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另外一種非標準腔是基于同軸振蕩器原理。它將伸進腔內(nèi)的桿以及桿到腔壁的空 間構(gòu)成集總L-C結(jié)構(gòu)。這種腔的諧振頻率基本上只由兩者幾何參數(shù)決定，而腔可以在一定 程度上不受大小形狀限制。而且這種腔的磁矢量與光抽運方向垂直，外界附加磁場產(chǎn)生的 干擾小。該腔的詳細說明在鄧金泉的專利US. Pat. No. 6133800或CN1452798A。
螺線管振蕩腔也是一種早期的非標準小型化腔方案，它把導線沿吸收泡柱面繞制 成螺線型，螺線與線之間間隙構(gòu)成L-C集總形式。相關詳細描述可參考美國專利US.Pat. No.494713和US. Pat. No. 5192921。 不需要共振的波導替代微波諧振腔也是減小腔泡系統(tǒng)體積的一種有效方法。在 這種結(jié)構(gòu)中，銣原子頻標的吸收泡置于波導中，饋入的微波沿波導呈衰減傳播形式去激勵 銣原子，而不要求波導結(jié)構(gòu)諧振在原子頻率。有關內(nèi)容在GeroldSkoczen的專利US. Pat. No. 5627497和Thomas C. English的專利US. Pat. No. 5517157有詳細說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種原子頻率標準用小型微波腔，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小， 腔頻易于調(diào)節(jié)，性能指標高，易于加工。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種小型化銣原子頻標腔泡系統(tǒng)，包括微波腔 體、集成濾光吸收泡、C場線圈、光電池、加熱功率管、階躍二極管和耦合探針。其特征在于 微波腔體采用高導磁材料的鐵鎳合金或者P金屬，微波場型采用TM010模，其電場集中在 微波腔體的中軸線上，微波腔體的一端為全封閉端，全封閉端與集成濾光吸收泡之間放置 有腔內(nèi)電路板，加熱功率管用螺釘固定在微波腔體上，C場線圈如圖2繞制在集成濾光吸收 泡上，將C場線圈和集成濾光吸收泡用導熱硅膠粘連在一起，放入微波腔體內(nèi)，同時再用導 熱硅膠將其固定，耦合探針一端焊接在腔內(nèi)電路板的中心，與階躍二極管直接電氣連接，耦 合探針另一端懸空或者接微波腔體的半封閉端，階躍二極管焊接在腔內(nèi)電路板上，兩塊光 電池對稱焊接在腔內(nèi)電路板上。耦合探針必須放置在集成濾光吸收泡的中空部分軸線上。
集成濾光吸收泡由泡區(qū)、泡體和泡尾組成，其中泡區(qū)由泡體和泡尾封閉而成，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，整個集成濾光吸收泡為中空的 圓柱體，C場線圈穿過泡體中空繞制。 腔內(nèi)電路板上對外連接的半剛性電纜包括射頻饋入線、光檢輸出線和C場電源 線，其中電路板焊盤孔7a為光電池5a的正極出線孔，焊盤孔7b為光電池5b的正極出線孔， 焊盤孔7c為光電池5a的負極焊孔，焊盤孔7d為光電池5b的負極焊孔，焊盤孔7e為耦合 探針的焊孔，焊盤孔7g為射頻饋入線的焊孔，電導線連接階躍二極管的負極與耦合探針的 一端，電路板放置于微波腔體內(nèi)部。 本發(fā)明相對現(xiàn)有的技術(shù)有三個方面的優(yōu)點首先是本發(fā)明可有效的減小微波腔體 積；其次是本發(fā)明有效提高系統(tǒng)的信噪比；最后本發(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TM010諧振模式微波腔軸線附近電場最強且平 行于軸線，環(huán)形磁場垂直于軸線。TM010模式在圓柱形微波腔中是最低諧振模式(當諧振腔 直徑>腔長時)；利用高導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，同時利用其導磁性能可使固定諧振頻率的微波腔體積減小；利用耦合探針處在微波腔軸線的位置，使得TM010模式電場部分集中到耦合探針的表面，形成集總參數(shù)，達到 降低微波腔體積的目的；采用集成濾光吸收泡技術(shù)，由于微波腔諧振頻率與微波腔長度無 關，因此可有效減小微波腔的體積。 本發(fā)明采用的是微波腔的TM010諧振模式，磁場最弱的部分(電場最強的部分) 處在微波腔的軸線上，此部分被耦合探針占據(jù)，有效遮擋不參與光_微波共振的光路徑，減 弱了無用光在光電池上產(chǎn)生的噪聲，提高了信噪比；微波共振較強的部分均處在集成濾光 泡的泡區(qū)，有效的加強了共振信號，提高了信噪比；微波共振的磁場全部平行于C場所提供 的量子化軸磁場，增加了光-微波共振區(qū)域，同時增大了微波填充因子，增大了共振信號強 度，提高了信噪比；采用雙光電池接收共振信號可有效的抑制光電池自身附帶的噪聲，提高 了信噪比。 本發(fā)明采用的是微波腔的TM010諧振模式，該模式諧振頻率與微波腔長度無關， 僅與微波腔的直徑相關，因此可以通過調(diào)節(jié)耦合探針的直徑或者長度可有效調(diào)節(jié)微波腔諧 振頻率。


圖1為-



圖2為-圖3為-圖4為-圖5為-圖6為-
-種小型微波腔結(jié)構(gòu)示意圖
-種C場繞制在集成濾光吸收泡上的示意圖
-種腔蓋板的組件示意圖
-種小型微波腔的剖視圖
-種集成濾光吸收泡剖視圖
-種腔內(nèi)電路板電氣圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步說明 根據(jù)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6可知， 一種小型微波腔由微波腔體1、集成濾光 吸收泡2(見圖5) 、 C場線圈3(如Elektrisola的155系列或180系列)、光電池5a、光電 池5b (如EG&G的VTS 20/21系列或30/31系列)、加熱功率管8 (如Fairchild的TIP 125、 126、 127等)、階躍二極管4(如M-pluse的MP4022等)和耦合探針6(由直徑為1 2毫 米的銅棒或銀棒制作而成)、腔內(nèi)電路板7(見圖6)組成。按照下面所述的順序有助于加強 對本發(fā)明具體實施的理解 本發(fā)明是基于圓柱形微波腔的TM010諧振模，微波腔體1采用高導磁材料的鐵鎳 合金或者P金屬，由于TM010模的電場集中在微波腔體1的中軸線上，其腔壁附近為環(huán)形 磁場，因此微波腔體1內(nèi)壁不需要進行金屬鍍層。微波腔體1的一端為全封閉端，全封閉端 與集成濾光吸收泡2之間放置有腔內(nèi)電路板7。微波腔體1另一端為半封閉端，開有兩個半 圓扇形通光孔。 本發(fā)明中加熱功率管8用螺釘固定在微波腔體1上，熱敏電阻(圖中未示出)埋 入金屬微波腔體1內(nèi)，通過兩根導線將熱敏電阻探測的溫度信息反饋到控溫電路(圖中未 示出)，從而為小型化銣原子頻標整個腔泡系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境。如有需要加熱部 件也可改為加熱絲或者加熱薄膜。
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本發(fā)明中C場線圈3如圖2所示緊密繞制在集成濾光吸收泡2上，為集成濾光吸 收泡2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TM010諧振模的磁 場方向。將C場線圈3和集成濾光吸收泡2用導熱硅膠粘連在一起，放入微波腔體1內(nèi)，同 時再用導熱硅膠將其固定，導熱硅膠的應用在于確保集成濾光吸收泡2在微波腔體1內(nèi)具 有一定的機械強度、抗震性和導熱性。 本發(fā)明中集成濾光吸收泡2(見圖2和圖5)由泡區(qū)2a、泡體2b和泡尾2c組成，其 中泡區(qū)2a由泡體2b和泡尾2c封閉而成，內(nèi)部充有一定量(100ug-400ug)的金屬銣和緩沖 氣體(氮氣、甲烷和氬氣等)，泡體2b和泡尾2c由抗堿玻璃材料制成，整個集成濾光吸收泡 2為中空的圓柱體，C場線圈3穿過泡體中空部分繞制(見圖2)。 本發(fā)明中腔內(nèi)電路板7 (見圖6)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4、光電池5a、光電池5b、耦合探針6以及對外連接的半剛性電纜，同時 移動腔內(nèi)電路板7具有一定的對微波腔體1諧振頻率調(diào)節(jié)功能。 本發(fā)明中耦合探針6 —端焊接在腔內(nèi)電路板7的中心，與階躍二極管4直接電氣 連接，耦合探針6另一端穿過集成濾光吸收泡2的中空部分，懸空或者接微波腔體1的半封 閉端。耦合探針6用于激勵起TM010微波諧振模，同時具有減小微波腔1體積和調(diào)節(jié)微波 腔體l諧振頻率的作用。 本發(fā)明中階躍二極管4焊接在腔內(nèi)電路板7上，用于產(chǎn)生激發(fā)銣原子躍遷的微波 信號。 本發(fā)明中兩塊光電池5a、光電池5b型號完全相同，對稱焊接在腔內(nèi)電路板7上，受 光面正對微波腔體1半封閉端的兩個半圓扇形通光孔，用于接收光信號。同時兩塊光電池 5a、光電池5b可進行自相關運算，降低光電池的本底噪聲，提高銣原子頻標的信噪比。
本發(fā)明中腔內(nèi)電路板7(見圖6)上對外連接的半剛性電纜包括射頻饋入線、光檢 輸出線和C場電源線，它們均連接到銣原子頻標電路系統(tǒng)上，其中電路板焊盤孔7a、焊盤孔 7b為光電池5a、光電池5b的正極出線孔，焊盤孔7c、焊盤孔7d為為光電池5a、光電池5b的 負極焊孔，焊盤孔7e為耦合探針6的焊孔，焊盤孔7g為射頻饋入線的焊孔，電導線7f連接 階躍二極管4的負極與耦合探針的一端，電路板7放置于微波腔體1內(nèi)部，粘有光電池5a、 光電池5b的一面正對集成濾光吸收泡2的泡體。
權(quán)利要求
一種小型微波腔，它包括C場線圈(3)、階躍二極管(4)、耦合探針(6)、和加熱功率管(8)，其特征在于微波腔體(1)采用高導磁材料的鐵鎳合金或者μ金屬，微波場型采用TM010模，其電場集中在微波腔體(1)的中軸線上，微波腔體(1)的一端為全封閉端，全封閉端與集成濾光吸收泡(2)之間放置有腔內(nèi)電路板(7)，加熱功率管(8)用螺釘固定在微波腔體(1)上，C場線圈(3)繞制在集成濾光吸收泡(2)上，將C場線圈(3)和集成濾光吸收泡(2)用導熱硅膠粘連在一起，放入微波腔體(1)內(nèi)，再用導熱硅膠將其固定，耦合探針(6)一端焊接在腔內(nèi)電路板(7)的中心，與階躍二極管(4)直接電氣連接，耦合探針(6)另一端懸空或者接微波腔體(1)的半封閉端，階躍二極管(4)焊接在腔內(nèi)電路板(7)上，兩塊光電池(5a)、光電池(5b)對稱焊接在腔內(nèi)電路板(7)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型微波腔，其特征在于所述的耦合探針(6)放置在 集成濾光吸收泡(2)的中空軸線上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型微波腔，其特征在于所述的集成濾光吸收泡2由 泡區(qū)(2a)、泡體(2b)和泡尾(2c)組成，其中泡區(qū)(2a)由泡體(2b)和泡尾(2c)封閉而成， 內(nèi)部充有金屬銣和緩沖氣體，泡體(2b)和泡尾(2c)由抗堿玻璃材料制成，整個集成濾光吸 收泡(2)為中空的圓柱體，C場線圈(3)穿過泡體中空繞制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型微波腔，其特征在于所述的腔內(nèi)電路板(7)上對 外連接的半剛性電纜包括射頻饋入線、光檢輸出線和C場電源線，其中電路板焊盤孔(7a)、 電路板焊盤孔(7b)為光電池(5a)、光電池(5b)的正極出線孔，焊盤孔(7c)、焊盤孔(7d) 為光電池(5a)、光電池(5b)的負極焊孔，焊盤孔(7e)為耦合探針(6)的焊孔，焊盤孔(7g) 為射頻饋入線的焊孔，電導線(7f)連接階躍二極管(4)的負極與耦合探針的一端，電路板(7) 放置于微波腔體l內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型微波腔，它包括C場線圈、階躍二極管、耦合探針和加熱功率管，微波腔體的一端為全封閉端，全封閉端與集成濾光吸收泡之間放置有腔內(nèi)電路板，加熱功率管用螺釘固定在微波腔體上，C場線圈繞制在集成濾光吸收泡上，將C場線圈和集成濾光吸收泡用導熱硅膠粘連在一起，放入微波腔體內(nèi)，再用導熱硅膠將其固定，耦合探針一端焊接在腔內(nèi)電路板的中心，與階躍二極管直接電氣連接，耦合探針另一端懸空或者接微波腔體的半封閉端，階躍二極管焊接在腔內(nèi)電路板上，兩塊光電池對稱焊接在腔內(nèi)電路板上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，腔頻易于調(diào)節(jié)，性能指標高，易于加工。
文檔編號H03L7/26GK101694917SQ20091027220
公開日2010年4月14日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者余鈁, 李超, 盛榮武, 秦蕾, 金鑫, 陳智勇, 高偉 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所;