技术领域
[0001] 本
发明涉及原子频标领域，更具体涉及一种铷原子频标微波腔的
射频信号馈入装置，它适用于铷原子频标(铷原子钟)。
背景技术
[0002] 铷原子频标是一种重要的时间基准装置，其主要由作为
鉴频器的物理系统和
电路系统组成。物理系统主要由谱灯和腔泡系统构成，其中铷原子频标工作物质金属87Rb处于腔泡系统的吸收泡内，87Rb原子基态(0,0)跃迁
频率即为铷原子频标的频率基准。电路系统主要包括微波链路和伺服电路，微波作用是对压控
晶体振荡器(简称晶振)输出10MHz信号进87
行频率合成，产生一个和 Rb原子基态(0,0)跃迁频率十分接近的微波信号，与原子跃迁频率比较后，输出一个控制
电压，来控制晶振的输出频率，最终使微波信号频率与原子跃迁频率相等。从而把原子跃迁频率的
稳定性传递给晶振，实现频标。
[0003] 在这个系统中，包含铷原子的吸收泡是放置在微波腔中的，需要微波信号来激励原子跃迁。而根据微波链设计的不同，又分为腔外倍频和腔内倍频结构，腔外倍频结构直接往微波腔内通入6.8GHz信号，腔内倍频结构是往腔内通入RF射频信号，是两种完全不同的结构设计，通用性差，升级换代困难。因此，能否把两种馈入方式统一起来，并且在把微波或射频信号馈入微波腔的同时，且不影响光路，是连接电路系统和物理系统的关键，本发明涉及的信号馈入即为该处的馈入。同时，在微波腔中放入吸收泡会显著影响微波腔的谐振频率，而需要微波腔谐振在6834MHz，如果腔谐振
频率偏移这一频率，原子共振吸收能
力会降低，将直接影响原子钟的性能，所以需要可以对腔频进行微调。
[0004] 在传统的铷原子频标中，馈入结构有几个缺点。第一，一般微波腔中耦合效率最好的
位置位于光
电池的上方，如果耦合环放置在该处会影响光的接收，影响铷频标性能。第二，耦合环一端接信号输入端另一端接地，这种方式只能用于6834.6875MHz信号的直接馈入，不能用于射频信号馈入，使用范围较小。第三，传统的调节微波腔谐振频率的方法有两种，一是利用吸收泡位置控制腔频的方法只能初略调整微波腔谐振频率，不能进行微调，另一种是用外接调节螺钉的方式微调腔频的方法，但是会破坏微波腔内微波场的模式和分布，会影响铷种性能。
发明内容
[0005] 本发明的目的是在于针对
现有技术存在的上述问题，是在于提供了一种铷原子频标微波腔信号馈入装置。该装置设计能够有效的直接馈入6834.6875MHz微波信号或者馈入RF信号到阶跃管上，可以适用于多种电路原理的铷频标设计；且不影响光路；还可以微调微波腔谐振频率与输入阻抗。
[0006] 为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：
[0007] 一种用于铷原子频标微波腔的射频信号馈入装置，它由L型耦合环、阶跃恢复二级管、腔端盖、转接板、同轴
电缆组成，其特征在于：使用焊
锡将阶跃管一端
焊接在腔端盖
正面，转接板焊接在腔端盖
反面，同轴电缆焊接在转接板上，使用圆
铜线制作的L型耦合环一端接在阶跃管上，L型耦合环另一端穿过转接板上的信号线过孔，L型耦合环焊接在转接板上。微波腔通过螺钉与腔端盖紧固连接，形成一个微波
谐振腔，L型耦合环、阶跃恢复
二极管和转接板一起构成了一个磁耦合环路。
[0008] 所述的将L型耦合环制作成L型结构，在腔端盖反面安装一
块转接板，L型耦合环一端焊接在阶跃管的一个
电极上，L型耦合环另一端接在转接板信号输入端焊孔内。
[0009] 所述的转接板上信号线使用同轴电缆引出，在转接板的焊孔焊接固定L型耦合环。
[0010] 转接板用于固定耦合环的一端。信号由同轴电缆芯线经转接板上的信号线传给耦合环，再由L型耦合环通过磁耦合方式馈入微波腔内，并传导到阶跃恢复二级管上。
[0011] 测量腔频时，需要把微波腔接入该馈入装置，把同轴电缆的引出端接入
矢量网络分析仪测量腔频，同时可以在线实时微调转接板上的耦合环一端，控制其进入微波腔的深度从而微调腔频，腔频调整好后，将耦合环在转接板上的一端焊接固定在转接板的焊孔中。
[0012] 一种铷原子频标微波腔信号馈入装置，解决了以下技术问题和难点，并具有以下特点：
[0013] A、消除耦合环对光路的影响：
[0014] 现有技术一般利用电耦合或者磁耦合馈入微波，电极或者耦合环经常会跨过接受
光信号的光电池，会影响光路，恶化铷钟的性能。而该装置中根据微波腔的
磁力线密集程度、耦合强度以及对光路的影响来决定耦合环走向，从而避免了对光路的破坏。
[0015] B、可调整微波腔的输入阻抗：
[0016] 确定耦合环走向后，使用不同长短的耦合环，可以显著调节微波腔的输入阻抗及Q值，通过
软件仿真可以找到合适的参数，确定耦合环的位置。
[0017] C、耦合环跨接阶跃管：
[0018] 现有技术一般直接使用电极和耦合环馈入微波信号，不能兼容射频信号的馈入，但是这种设计使得微波功率对
温度极为敏感。本发明中使阶跃管和L型耦合环构成一个信号馈入环(通常意义的耦合环)，这个设计利用了阶跃管的高频阻抗小的特点。可以满足多种信号的馈入需求，适用于多种电路原理的铷频标设计。
[0019] D、现有技术耦合环及电极均是固定设计，无法对微波腔进行微调，如果需要对微波腔谐振频率微调必须加入另外的调谐螺钉，工艺复杂，且调节过程中会对微波场场型产生破坏。本发明中直接使用耦合环对微波腔谐振频率进行微调，简单易行，且对微波场影响小。
[0020] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
[0021] 1、耦合环在不遮挡光路的情况下保证了高馈入效率。
[0022] 2、阶跃管安装结构稳定，温度环境非常稳定，非常有利于整机性能的提升。
[0023] 3、可以方便的调节设计微波腔的输入阻抗及Q值。
[0024] 4、可以对腔频进行微调，且易实现工程应用。
附图说明
[0025] 图1为一种用于铷原子频标开槽管式微波腔的信号馈入装置示意图。
[0026] 图2a为一种调节及测试腔频的示意图。
[0027] 图2b为一种调节微波腔Q值和输入阻抗的示意图。
[0028] 图3为一种调节耦合环深浅微调微波腔谐振频率示意图。
[0029] 图4a为一种通过调节耦合环长度改变微波腔Q值的示意图。
[0030] 图4b为一种通过调节耦合环长度改变微波腔阻抗的示意图。
[0031] 其中：1－L型耦合环、2－阶跃恢复二级管(根据具体电路选择适当型号或市场上购买相关二级管)、3－腔端盖、4－转接板、5－同轴电缆、6－微波腔、7－矢量网络分析仪(agilent公司的E8267D)。
[0032] 图3表明在二种不同耦合环深度时微波腔谐振频率变化情况，图4a和图4b分别显示在4个不同耦合环终点位置时微波谐振腔Q值和输入阻抗的变化情况。
具体实施方式
[0034] 根据附图1、图2a、图2b可知，一种用于铷原子频标开槽管式微波腔的信号馈入装置，它由L型耦合环1、
阶跃恢复二极管2、腔端盖3、转接板4、同轴电缆5、微波腔6、矢量网络分析仪7组成，其特征在于：使用焊锡将阶跃管2正极焊接在腔端盖3上，转接板4焊接在腔端盖3反面，同轴电缆5焊接在转接板4上，使用圆铜线制作的L型耦合环1一端接在阶跃管2负极，L型耦合环1另一端穿过转接板4上的信号线过孔，L型耦合环1焊接在转接板4上。将耦合环制作成L型结构，在腔端盖3反面安装一块转接4板，L型耦合环1一端焊接在阶跃管2的一个电极上，L型耦合环1另一端接在转接板4信号输入端焊孔内。微波腔6通过螺钉与腔端盖3紧固连接，形成一个微波谐振腔，L型耦合环1、阶跃恢复二极管2和转接板4一起构成了一个磁耦合环路，用于把微波信号馈入微波腔。转接板4上信号线使用同轴电缆5引出，信号通过同轴电缆5输入到该装置。测量腔频时，把同轴电缆5的引出端接入矢量网络分析仪7测量腔频，同时可以在线实时微调转接板4上的L型耦合环1一端，控制其进入微波腔6的深度从而微调腔频，腔频调整好后，在转接板4的焊孔焊接固定耦合环1。
[0035] 阻抗和Q值的调节是在设计时，沿图2(b)所示虚线移动阶跃管2的安装位置，L型耦合环1会随之发生长度的变化，微波腔6的谐振频率、Q值和输入阻抗也会显著变化，如图4(a)、4(b)所示，调整到到合适谐振频率、Q值和阻抗后确定阶跃恢复二极管2的安装位置。然后，根据附图2(a)所示，安装好微波腔，该装置通电后，物理系统加热至
工作温度70℃，同轴电缆5接上agilent公司的E8267D矢量网络分析仪7,其可测量微波腔6的谐振频率、Q值和阻抗。等待20分钟，待谐振频率稳定后，对转接板4上的信号线过孔焊点进行
重熔，同时调整L型耦合环1进入微波腔6的深度来在线微调微波腔谐振频率，如图3，可以调节腔的谐振频率，微波腔谐振频率调整完成后，烙
铁头离开焊点，固定住L型耦合环1。
[0036] 通过以上的技术措施，可以实现铷种电路部分输出的微波或者射频信号简单高效的馈入物理系统微波腔中，馈入效率高且对光路无影响，并且可以在线微调腔频，可以调节腔的输入阻抗。该设计简单易行，保证了物理系统性能的充分利用，并大大增强了物理系统的通用性，有利于降低生产成本，提高产品的竞争力。
[0037] 使用该装置，经
申请人实验得出，对于7Ghz左右的微波信号，在耦合环深度4.2mm，阶跃恢复二极管安装位置(耦合环终点)与耦合环起点跨度22.5度时效果最佳。可以保证信号良好馈入并快速调节微波腔参数。
[0038] 本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
