[发明专利]一种铷原子频标的腔泡系统

说明书

技术领域

本发明涉及应用于通信、导航定位、计量等领域的原子频标，更具体涉及一种铷原子频标的腔泡系统，它尤其适用于高性能铷原子频标。

背景技术

随着科学技术的高速发展，原子频标在通信，导航，守时授时等各种科研领域得到广泛的应用。而铷原子频标由于具有功耗低，体积小，价格廉更是在电力，电信，计量校准，雷达设备提供高精度时间和频率基准得到大量应用；尤其是在现代军用移动通信中，轻便型，抗恶劣环境的铷原子频标更是具有不可替代的作用。

被动型铷原子钟是利用铷原子基态能级中的︱F=2,m_F=0>和︱F=1,m_F=0>之间稳定的跃迁谱线作为参考标准，跃迁频率为6834.6875MHz，通过光、微波与原子的双共振及锁频环路将⁸⁷Rb原子的0-0跃迁谱线的稳定性和准确性传递给本振。铷原子频标由电子线路和物理系统两部分组成，其中电子线路由压控晶体振荡器、隔离放大、综合、微波倍频、混频、伺服及相关辅助电路组成；物理系统由光谱灯，集成滤光吸收泡，微波腔，光电池，C场等组成。物理系统是铷原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定，线宽较窄的原子共振吸收曲线，通过频率锁定环路将压控晶体振荡器的输出频率锁定在原子的共振吸收峰上，从而得到稳定的频率输出。

铷原子频标性能主要由物理系统决定，微波与铷原子发生共振的场所便是微波谐振腔。可见，微波谐振腔是铷原子频标的一个重要组成部分，谐振腔的结构，特性将会影响铷原子频标的准确度和稳定度。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。

考虑到铷原子频标小型化的综合要求，微波腔的设计需要考虑以下几个因素：在共振区形成与量子化轴方向平行的微波磁场。而且在共振作用区——吸收泡内的磁场比较强；具有合适的Q值。Q值过低，腔的损耗过大，要求输入的射频功率大，电路工作难度增大，且不利于微波倍频混频的边带抑制；但Q值过高会使腔牵引效应增大，影响整机指标；腔的谐振频率与⁸⁷Rb的钟跃迁频率匹配；并且腔体积要小，便于加工与制作。

腔小型化首先是要选择合适的腔模，腔模的选择要求为：腔填充因子足够大和腔体积尽可能小。一般可用于被动型铷原子频标的腔模有三种：圆柱形TE111模、圆柱形TE011模和矩形TE101模。TE101模腔与其它模式腔有所不同，就是腔中垂直于x轴的一边必须有介质填充层，用以减小激励场沿x轴的变化，从而获得适宜于被动型铷原子频标工作的微波场。这种腔的体积最小，但损耗大，填充因子低，故极少应用于被动型铷原子频标。

在三种模式的微波腔中，TE011模式的腔Q最大，且其微波磁场最强的部分在腔的中轴线附近，正好是集成泡中光-微波双共振的主要作用区，腔填充因子最高。但这种模式的腔尺寸大，不易小型化，且由于TE011模并非圆柱腔的主模，其结构设计稍有不慎就可能在其谐振频率范围内激励出其他模式的微波场。

在此微波腔小型化设计中，选用的是TE111腔。当谐振频率相同时，TE111腔的体积远比TE011腔小，且TE111模是圆柱形腔的主模，其结构设计简单。尽管它的腔Q及场形分布比TE011腔差，但足以满足被动型铷原子频标小型化的综合指标要求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种适用于铷原子频标用的腔泡系统，其结构简单，体积小，腔频微调简便，性能指标高，易于加工。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施: