一种小型磁选态铯原子频标用微波腔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，由两个本体结构组合而成，加工简单，截止波导长度减小，可以有效减小微波腔壁的厚度，减小微波腔的体积和质量。同时能很好的满足小型磁选态铯原子频标对微波腔的性能要求。设计截止波导，改善由铯原子流入口和出口引起磁场分布的不均匀性，降低微波功率泄露。
【专利说明】
一种小型磁选态铯原子频标用微波腔
技术领域
[0001]本发明涉及微波腔领域，尤其涉及一种小型磁选态铯原子频标用微波腔。
【背景技术】
[0002]小型磁选态铯原子频标具有可靠性好，准确度高，长期稳定度好，基本上没有频率漂移等特点，在时频系统、导航定位和通信等方面得到了广泛应用。铯原子频标由铯束管和频标电路组成，其中铯束管用于产生原子能级跃迀信号，是整钟的核心器件，其性能决定着铯原子频标的频率稳定度。微波腔作为铯束管中的重要部件，用于储存辐射场，提供了微波福射场与铯原子超精细能级(F = 3，mF = 0—F = 4 ,IiiF = O)跃迀的场所，使铯原子产生低能级至高能级的跃迀。小型磁选态铯原子频标用微波腔应满足以下要求:1、谐振频率可以调谐至铯原子超精细能级跃迀频率(9192.63177MHz) ;2、在相互作用区，微波腔产生电磁场的磁场方向应该与铯原子束流方向垂直，磁场应该尽可能的均勾，以减小由Ramsey牵引引起的谱线频移。
[0003]在小型磁选态铯原子频标内，为了使铯原子能够进入微波腔，与微波发生作用使铯原子发生超精细能级跃迀，必须在微波腔的两臂位置开小孔，一般来说，小孔将对微波腔中的电磁场产生扰动，造成相互作用区内磁场分布不均匀[顾继慧.微波技术、北京:科学出版社。2003.301.]以及微波功率泄漏，引起频率移动[B.Bertrand，T.Gennvieve，C.Pierre,C.Emeric，Frequency shifts in cesium beam clocks induced by microwaveleakage.1EEE transact1ns on ultrasonic’s，ferroelectrics and frequencycontrol ,1993，45:728-738]。为了减小这种频移，需在小孔处安装截止波导，其结构如文献[Huang Liang-yu, Chen jiang,Wang j i, Zhang D1-xin.1nfluence of Rod TunerPosit1n on Resonance Frequency of Ramsey Cavity in Compact Cesium AtomClock.2012Internat1nal Conference on Microwave and Millimeter WaveTechnology(ICMMT 2012) ,May 5-8，2012，Shenzhen]所述。目前截止波导的长度大于 10mm，造成微波腔体积、重量较大，以致于铯束管的体积和重量不能满足星载铯原子频标对体积、重量的要求。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，可减小微波腔的体积和质量，降低微波功率泄露。
[0005]—种小型磁选态铯原子频标用微波腔，包括两个氧化铜材料加工的本体结构(I);本体结构(I)的一个侧面上开有U形槽(2)，该U形槽(2)包括平直的底部(21)和2个对称的垂直部(22);底部(21)两端与同侧的垂直部(22)之间为圆弧过渡连接，并形成E面弯曲的弯波导(23);本体结构(I)上对应于所述底部(21)中部位置的外侧开有与U形槽(2)深度相同的微波馈入口(5);本体结构(I)上对应于两个垂直部(22)的端部位置分别开有一个条状凹槽，两个条状凹槽分别垂直于同侧的垂直部(22);
[0006]两个本体结构(I)从开有U形槽(2)的一侧互相对接，2个U形槽(2)对接后形成U形的微波腔，两个对接面上对应位置的条状凹槽对接后形成条状通道，分别作为铯原子流的入口(3)和出口(4)，微波馈入口( 5)上端连接有与U形的微波腔底部(21)垂直的接头(6)，则所述接头(6)与微波腔的底部形成E-T结构的微波波导；
[0007]所述入口(3)和出口(4)均穿过各自所在垂直部(22)，分布于垂直部(22)端部的两侦U，并且，入口(3)和出口(4)在垂直部(22)两侧延伸的长度满足:U形的微波腔内微波信号传播至入口(3)和出口(4)的端部时，微波信号的磁场强度衰减为O。
[0008]较佳的，本体结构(I)上位于U形槽(2)内侧的位置挖空。
[0009]较佳的，两个本体结构(I)上沿U形槽(2)轮廓的外侧加工有安装孔(7)，用于两个本体结构(I)的对接安装。
[0010]较佳的，所述U形槽(2)的长度为232.65mm，U形槽(2)的深度为11.43mm，宽度为10.16mm0
[0011 ] 较佳的，所述入口(3)和出口(4)在垂直部(22)两侧延伸的长度为2_。
[0012]本发明具有如下有益效果:
[0013]本发明微波腔由两个本体结构组合而成，加工简单，截止波导长度减小，可以有效减小微波腔壁的厚度，减小微波腔的体积和质量。同时能很好的满足小型磁选态铯原子频标对微波腔的性能要求。设计截止波导，改善由铯原子流入口和出口引起磁场分布的不均匀性，降低微波功率泄露。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的本体结构上加工U形槽的结构示意图。
[0015]图2为本发明的微波腔的示意图。
[0016]图3为本发明的铯原子与微波相互作用区内磁场幅度分布图。
[0017]图4为铯原子与微波相互作用区内磁场方向分布图。
[0018]其中，1-本体结构，2-U形槽，21-底部，22-垂直部，23-弯波导，3-入口，4_出口，5-微波馈入口，6-接头，7-安装孔。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0020]如图1所示，本发明的一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其包括两个氧化铜材料加工的本体结构I;本体结构I的一个侧面上开有U形槽2，该U形槽2包括平直的底部21和2个对称的垂直部22;底部21两端与同侧的垂直部22之间为圆弧过渡连接，并形成E面弯曲的弯波导23;本体结构I上对应于所述底部21中部位置的外侧开有与U形槽2深度相同的微波馈入口 5;本体结构I上对应于两个垂直部22的端部位置分别开有一个条状凹槽，两个条状凹槽均垂直于所述垂直部22。
[0021]两个本体结构I从开有U形槽2的一侧互相对接，2个U形槽2对接后形成U形的微波腔，两个对接面上对应位置的条状凹槽对接后形成条状通道，分别作为铯气体的入口 3和出口 4，铯原子流从入口 3进入微波腔，与微波发生相互作用后从出口 4出来，微波馈入口 5上端连接有与U形的微波腔底部垂直的接头6，则所述接头6与微波腔的底部形成E-T结构的微波波导。
[0022]所述入口3和出口均穿过各自所在垂直部22，分布于垂直部22端部的两侧，并且，入口 3和出口 4在垂直部22两侧延伸的长度满足:U形的微波腔内微波信号传播至入口 3或出口的端部时，微波信号的磁场强度衰减为O。
[0023]使用时，将微波信号通过微波馈入口5输入9192兆赫兹的微波信号，微波谐振腔内维持电磁场不断地交换能量，电磁波以驻波形式出现在U形腔内，在相互作用区内微波与铯原子相互作用，使铯原子基态超精细结构能级F = 3，mF=0—F = 4, IiiF = O发生跃迀。
[0024]两个本体结构I上沿U形槽2轮廓的外侧加工有安装孔7，用于两个本体结构I的对接安装。
[0025]铯原子基态跃迀频率为9192631770Hz，对应的波长为32.61mm，对应的波导波长入8为46.53mm。小型磁选态铯原子频标中，U形槽2的长度用L表示，其长度为半波导波长入8/2的η倍。如果η为偶数，则在其中心可用一电流发生器激励，如果η为奇数，则可用一电压发生器激励。在小型铯束管中，要求表示磁场的电流在终端同相位，则η必须取偶数，η=10，因此微波腔的长度为232.65111111。1]形槽2的深度为11.43111111，即微波腔宽边& = 22.86臟。1]形槽2宽度为10.16mm，即窄边b = 10.16mm。
[0026]实际工程应用中，需将一路电磁能量分为两路或更多路，需要用到分支元件。常用的矩形波导分支有E面分支、H面分支、双T接头等。波导E面分支的分支波导位于主波导的宽壁上，且分支平面与主波导内的主模TEiq波的电场平面平行。这种分支的形状像T形
T接头，如图2所示，具有如下特性:当主模TEiq波从分支臂“3”输入时，主波导“I”和“2”两臂中有等幅反相信号输出。小型磁选态铯原子频标中选用E-T接头，分支臂位于电场的波节位置，信号从分支臂中输入。
[0027]为了使铯原子能够进入微波谐振腔，与微波发生作用使铯原子发生跃迀，必须在微波腔的两个垂直部22端部位置开入口 3和出口 4，铯原子束经过磁铁偏转经入口 3进入微波腔；出口4位于另外一侧的垂直部22端部，铯原子与微波发生相互作用后经出口4从微波腔出来。入口 3和出口4将对微波腔中的电磁场产生扰动，造成电磁场的一小部分功率从开口中泄露出去。为了改善由入口 3和出口 4引起磁场分布的不均匀性，降低微波功率泄露，本发明将入口 3和出口 4形成一定长度的空腔，由此形成截止波导。如图3和4所示，为保证微波信号传播至入口 3和出口 4的端部时，微波信号的磁场强度衰减为O，入口 3和出口 4在垂直部22两侧延伸的长度为2_。
[0028]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其特征在于，包括两个氧化铜材料加工的本体结构(I);本体结构(I)的一个侧面上开有U形槽(2)，该U形槽(2)包括平直的底部(21)和2个对称的垂直部(22);底部(21)两端与同侧的垂直部(22)之间为圆弧过渡连接，并形成E面弯曲的弯波导(23);本体结构(I)上对应于所述底部(21)中部位置的外侧开有与U形槽(2)深度相同的微波馈入口(5);本体结构(I)上对应于两个垂直部(22)的端部位置分别开有一个条状凹槽，两个条状凹槽分别垂直于同侧的垂直部(22); 两个本体结构(I)从开有U形槽(2)的一侧互相对接，2个U形槽(2)对接后形成U形的微波腔，两个对接面上对应位置的条状凹槽对接后形成条状通道，分别作为铯原子流的入口(3)和出口(4)，微波馈入口( 5)上端连接有与U形的微波腔底部(21)垂直的接头(6)，则所述接头(6)与微波腔的底部形成E-T结构的微波波导； 所述入口(3)和出口(4)均穿过各自所在垂直部(22)，分布于垂直部(22)端部的两侧，并且，入口(3)和出口(4)在垂直部(22)两侧延伸的长度满足:U形的微波腔内微波信号传播至入口(3)和出口(4)的端部时，微波信号的磁场强度衰减为O。2.如权利要求1所述的一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其特征在于，本体结构(1)上位于U形槽(2)内侧的位置挖空。3.如权利要求1所述的一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其特征在于，两个本体结构(I)上沿U形槽(2)轮廓的外侧加工有安装孔(7)，用于两个本体结构(I)的对接安装。4.如权利要求1所述的一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其特征在于，所述U形槽(2)的长度为232.65mm，U形槽(2)的深度为11.43mm，宽度为10.16mm。5.如权利要求4所述的一种小型磁选态铯原子频标用微波腔，其特征在于，所述入口(3)和出口(4)在垂直部(22)两侧延伸的长度为2mm。
【文档编号】H01P7/06GK105896016SQ201610227160
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】黄良育, 崔敬忠, 陈江, 王骥, 成大鹏, 马寅光
【申请人】兰州空间技术物理研究所