CN106129573B - 一种新型原子频标微波腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型原子频标微波腔，包括圆柱腔体和开槽管，开槽管包括设置为一体的极片、凸台和底座，底座设置在凸台一端，极片个数为大于等于2的整数，极片设置在凸台另一端，底座通过螺钉固定在圆柱腔体一端，凸台和极片设置在圆柱腔体内，凸台的外壁与圆柱腔体的内壁紧密贴合，凸台内设置有滤光泡，各个极片紧密贴合在吸收泡上且均匀分布在吸收泡四周，极片与圆柱腔体的内壁之间留有空隙，加热丝缠绕在圆柱腔体外壁，圆柱腔体另一端设置有顶盖，顶盖内侧设置有光电池。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单紧凑，装配、调试容易，可靠性高，微波场方向因子大，腔Q值高，频率微调方便，可广泛应用于高性能铷原子频标。

Description

一种新型原子频标微波腔

技术领域

本发明涉及到铷原子频标，更具体涉及一种新型原子频标微波腔，这种新型微波腔具有结构简单、装配容易、可靠性高的特点，适合制作高性能铷原子频标。

背景技术

随着社会科技的发展，许多领域都需要更加准确而稳定的时间频率信号。频标技术的飞速发展，使得原子频标作为一种更可靠的时钟频率源，逐步取代了传统的机械时钟和晶振时钟，在授时、守时、导航定位、同步通讯等领域中发挥着重要作用。铷原子频标由于其综合性能良好且体积小、重量轻、功耗低等特点，已成为目前应用最广泛的原子频标之一。铷原子频标由物理系统和电路系统两部分组成，其中微波谐振腔是铷原子频标物理系统的核心组成部分，在很大程度上影响着铷原子频标的性能。

本实验室公开的一种原子频标微波腔，由文献Ganghua Mei,Miniaturedmicrowave cavity for atomic frequencystandard[P].US Patent:6225870B1,2001所描述。这种腔由开槽管、介质环、圆柱腔体、铷吸收泡、加热丝等构成。其中，开槽管是一个上端开若干个等间距窄槽的金属圆筒，相邻窄槽之间的瓦状金属结构为极片。极片可等效为电感，窄槽可等效为电容，极片和窄槽组成了感容结构，与从微波腔外部馈入的微波信号发生共振，形成所需的类TE₀₁₁模式微波场。在具体讨论类TE₀₁₁模式下的微波场分布时，腔的谐振频率主要由此感容结构的电感和电容决定，也就是由开槽管腔的各项结构参数决定，如开槽数目，槽宽，槽深，极片厚度，介质环的厚度、长度等。介质环的材质通常为介电常数大于1的非金属，实际应用中我们发现，介质环这一结构部件存在以下弊端：1、介质的介电常数受温度的影响，会发生微小的变化，进而引起腔频的无规律变化；2、介质的热膨胀系数比金属的大，谐振腔处于持续加热的工作状态时，介质会发生受热膨胀，挤压与之紧密接触的开槽管金属极片，使其发生形变，即改变了开槽管腔的结构参数，也会影响腔频；3、铷钟长期工作的情况下，谐振腔内的介质环会发生一定程度的老化。这些因素降低了铷钟长期工作的可靠性，也会对铷钟的长期稳定性产生相应的影响。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新型原子频标微波腔，结构简洁，调试方便，可靠性高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型原子频标微波腔，包括圆柱腔体，还包括开槽管，开槽管包括设置为一体的极片、凸台和底座，底座设置在凸台一端，极片个数为大于等于2的整数，极片设置在凸台另一端，底座通过螺钉固定在圆柱腔体一端，凸台和极片设置在圆柱腔体内，凸台的外壁与圆柱腔体的内壁紧密贴合，凸台内设置有滤光泡，各个极片紧密贴合在吸收泡上且均匀分布在吸收泡四周，极片与圆柱腔体的内壁之间留有空隙，加热丝缠绕在圆柱腔体外壁，圆柱腔体另一端设置有顶盖，顶盖内侧设置有光电池。

如上所述的顶盖内侧设置有阶跃管和耦合环，阶跃管与耦合环连接。

如上所述的顶盖上设置有金属棒，金属棒一端延伸至吸收泡与顶盖之间的空隙，金属棒另一端与圆柱腔体外部的阶跃倍频电路模块连接。

如上所述的圆柱腔体侧壁开设有螺纹孔，螺纹孔内设置有腔频微调螺杆，腔频微调螺杆一端延伸至极片与圆柱腔体内壁之间的空隙。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单紧凑，装配、调试容易，可靠性高，微波场方向因子大，腔Q值高，频率微调方便，可广泛应用于高性能铷原子频标。

附图说明

图1为本发明的开槽管结构示意图；

图2为本发明利用磁耦合的结构示意图；

图3为本发明利用电耦合的结构示意图。

图中：1-开槽管、2-圆柱腔体、3-顶盖、4-阶跃管、5-耦合环、6-光电池、7-加热丝、8-铷吸收泡、9-铷滤光泡、10-腔频微调螺杆、11-螺钉；1a-第一极片、1b-第二极片、1c-第三极片、1d-第四极片、1e-凸台、1f-底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

根据图1、图2可知，一种新型原子频标微波腔包括开槽管1、圆柱腔体2、顶盖3、阶跃管4、耦合环5、光电池6、加热丝7、吸收泡、滤光泡、腔频微调螺杆10、螺钉11。本实施例中吸收泡为铷吸收泡8，滤光泡为铷滤光泡9。其中开槽管1包括连成一体的第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d、凸台1e、底座1f。底座1f设置在凸台1e一端，第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d均匀设置在凸台1e另一端，用螺钉11将底座1f与圆柱腔体2相连接，将顶盖3与圆柱腔体2连接。极片（1a、1b、1c、1d）或极片之间的形成槽的数目可为大于或等于2的整数。各个极片（1a、1b、1c、1d）之间形成的槽的尺寸相同，第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d的尺寸也相同。凸台1e的作用是使开槽管1下端外壁与圆柱腔体2的内壁保持密切接触，增加谐振腔的机械牢固性。同时在开槽管1上端的第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d与圆柱腔体2内壁之间留有空隙，创造了微波场存在的必要条件。铷吸收泡8和铷滤光泡9内均充适量的金属铷和一定成分和配比的缓冲气体。铷吸收泡8密配合插入开槽管1之中，位于第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d之间的区域，第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d均匀分布在铷吸收泡8的四周，并与铷吸收泡8紧密贴合；铷滤光泡9密配合插入开槽管1的凸台1e之中。与集成滤光方式相比，吸收泡和滤光泡分开的分离滤光设计能实现更好的滤光效果，有利于提高原子鉴频信号的信噪比，从而使铷原子频标具备高的频率稳定度。加热丝7缠绕在圆柱腔体2外壁，通入直流电流以加热圆柱腔体2。热量经与圆柱腔体2相连的开槽管底座1f传导至凸台1e，再传导至极片，进而传导至与其密配合的铷吸收泡8，对其中的铷金属进行加热，产生铷原子频标的工作物质——铷蒸气原子。这种通过金属热路将加热丝7产生的热量传导至铷吸收泡8的加热方式，有利于提高加热效率，降低热功耗，并使铷吸收泡8的温度分布均匀，这对提高铷原子频标的性能是有好处的。阶跃管4压实焊接在顶盖3内表面凹槽内，并与耦合环5紧密焊接，连成一个整体，外部的射频信号经过匹配电路之后通过阶跃管4与耦合环5以磁耦合的方式馈入到微波腔内，同时实现腔内的高次倍频。圆柱腔体2侧部开有螺孔，孔中装有腔频微调螺杆10，可通过旋进或旋出而改变其在圆柱腔体2的腔内部分的长度，以实现谐振频率的微调。光电池6可用绝缘粘胶粘于腔顶盖3的内表面，用来探测铷吸收泡8中铷蒸气原子的光吸收信号。开槽管1、圆柱腔体2、顶盖3、腔频微调螺杆10和螺钉11可用无磁或低磁金属材料加工。

实施例2：

根据图1、图3可知，一种新型原子频标微波腔包括开槽管1、圆柱腔体2、顶盖3、探针5、光电池6、加热丝7、吸收泡、滤光泡、腔频微调螺杆10、螺钉11。其中开槽管1包括连成一体的第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d、凸台1e、底座1f。本实施例中吸收泡为铷吸收泡8，滤光泡为铷滤光泡9。底座1f设置在凸台1e一端，第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d均匀设置在凸台1e另一端，用螺钉11将底座1f与圆柱腔体2相连接，将顶盖3与圆柱腔体2连接。极片（1a、1b、1c、1d）或极片之间形成的槽的数目可为大于或等于2的整数。各个极片之间的形成的槽（1a、1b、1c、1d）的尺寸相同，各个极片（1a、1b、1c、1d）的尺寸也相同。凸台1e的作用是使开槽管1下端外壁与圆柱腔体2的内壁保持密切接触，增加谐振腔的机械牢固性。同时在开槽管1上端的第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d与圆柱腔体2内壁之间留有空隙，创造了微波场存在的必要条件。铷吸收泡8和铷滤光泡9内均充适量的金属铷和一定成分和配比的缓冲气体。铷吸收泡8密配合插入开槽管1之中，位于的第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d之间的区域，第一极片1a、第二极片1b、第三极片1c、第四极片1d均匀分布在铷吸收泡8的四周，并与铷吸收泡8紧密贴合；铷滤光泡9密配合插入开槽管1的凸台1e之中。与集成滤光方式相比，吸收泡和滤光泡分开的分离滤光设计能实现更好的滤光效果，有利于提高原子鉴频信号的信噪比，从而使铷原子频标具备高的频率稳定度。加热丝7缠绕在圆柱腔体2外壁，通入直流电流以加热圆柱腔体2。热量经与圆柱腔体2相连的开槽管底座1f传导至凸台1e，再传导至极片，进而传导至与其密配合的铷吸收泡8，对其中的铷金属进行加热，产生铷原子频标的工作物质——铷蒸气原子。这种通过金属热路将加热丝7产生的热量传导至铷吸收泡8的加热方式，有利于提高加热效率，降低热功耗，并使铷吸收泡8的温度分布均匀，这对提高铷原子频标的性能是有好处的。与实施例1不同，在本实施例中，阶跃管不作为微波腔的一个结构件，而是安装在微波腔外的阶跃倍频电路模块中，其产生的微波信号通过探针5以电耦合的方式馈入微波腔内。探针5为具有一定直径和长度的表面光滑的刚性金属细棒，通过绝缘粘胶固定在顶盖3上，并与腔外的阶跃倍频电路模块的输出端紧密焊接。圆柱腔体2侧部开有螺孔，孔中装有腔频微调螺杆10，可通过旋进或旋出而改变其在圆柱腔体2的腔内部分的长度，以实现谐振频率的微调。光电池6可用绝缘粘胶粘于腔顶盖3的内表面，用来探测铷吸收泡8中铷蒸气原子的光吸收信号。开槽管1、圆柱腔体2、顶盖3、腔频微调螺杆10和螺钉11可用无磁或低磁金属材料加工。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的目的做一个较好的举例说明，并不限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员在本着该发明的精神和原则，对所描述的实施例做适当的修改或补充或采用类似的方法替代，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型原子频标微波腔，包括圆柱腔体(2)，其特征在于，还包括开槽管(1)，开槽管(1)包括设置为一体的极片、凸台(1e)和底座(1f)，底座(1f)设置在凸台(1e)一端，极片个数为大于等于2的整数，极片设置在凸台(1e)另一端，底座(1f)通过螺钉(11)固定在圆柱腔体(2)一端，凸台(1e)和极片设置在圆柱腔体(2)内，凸台(1e)的外壁与圆柱腔体(2)的内壁紧密贴合，凸台(1e)内设置有滤光泡，各个极片紧密贴合在吸收泡上且均匀分布在吸收泡四周，极片与圆柱腔体(2)的内壁之间留有空隙，加热丝(7)缠绕在圆柱腔体(2)外壁，圆柱腔体(2)另一端设置有顶盖(3)，顶盖(3)内侧设置有光电池(6)，开槽管(1)、圆柱腔体(2)、顶盖(3)、腔频微调螺杆(10)和螺钉(11)为无磁材料或低磁金属材料，

顶盖(3)上设置有金属棒，金属棒一端延伸至吸收泡与顶盖(3)之间的空隙，金属棒另一端与圆柱腔体(2)外部的阶跃倍频电路模块连接，

圆柱腔体(2)侧壁开设有螺纹孔，螺纹孔内设置有腔频微调螺杆(10)，腔频微调螺杆(10)一端延伸至极片与圆柱腔体(2)内壁之间的空隙。