銣原子鐘微波諧振腔探針激勵仿真分析

王鵬，閆泉喜，趙杏文

（成都天奧電子股份有限公司，成都 610036）

0 引言

微波諧振腔是銣原子鐘的核心部件，為吸收泡提供一個頻率為6.834 GHz的微波作用場所，以激勵吸收泡中的銣原子發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生微波躍遷信號[1-2]。微波腔的高品質(zhì)因數(shù)、適當?shù)耐獠考睢⒏叻€(wěn)定度的諧振頻率等在很大程度上決定著銣原子鐘的性能[3]。

雖然國內(nèi)外有關(guān)微波諧振腔的研究很多，包括小型化諧振腔的研究以及復(fù)雜微波腔不同模式諧振特性的研究[4-7]，但是對于銣原子頻標中諧振腔加外部激勵方面的研究較少，而外部激勵是影響銣原子鐘性能指標的關(guān)鍵因素。本文針對前期采用耦合環(huán)激勵的方式得不到所需諧振頻率以及回波損耗很大的問題，提出采用探針激勵的方式，這種方式占用空間小，加工操作簡單且便于調(diào)節(jié)，分析微波腔加外部激勵問題屬于復(fù)雜的電磁場問題，可以通過有限元仿真軟件進行分析。本文通過HFSS仿真軟件研究在固定模式下微波諧振腔探針激勵的可行性，從而進一步優(yōu)化微波諧振腔激勵方式。

1 微波諧振腔激勵方式分析

微波諧振腔是在微波頻率下工作的諧振器，具有儲能和選頻特性。在銣原子鐘中是為原子磁共振提供合適的微波場，以激勵吸收泡中的銣原子躍遷，產(chǎn)生微波躍遷信號。評估微波諧振腔性能的關(guān)鍵參數(shù)[8-10]：

① 諧振頻率是指在諧振腔中激起電磁振蕩的工作頻率，描述諧振腔中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。

② 品質(zhì)因數(shù)Q表示諧振腔的儲能與損耗的關(guān)系，描述了諧振腔選擇性能的優(yōu)劣和能量損耗的大小。

③ S11表示反射系數(shù)，也是輸入回波損耗，當在某個頻率時，回波損耗越小，表示耦合部件與諧振腔耦合良好，此頻率的電磁波在諧振腔中形成了駐波，激起了這個頻率處的模式，諧振腔中該頻率的模式占據(jù)的能量比例高。

微波諧振腔中某一諧振模式的建立，首先是通過激勵元件在腔中某一局部區(qū)域激勵起與所需模式一致的電場或磁場分量，然后再由這一局部的電場或磁場在整個微波諧振腔中激勵起所需要的諧振模式。為了在微波諧振腔中形成振蕩電磁波，以激勵吸收泡中的銣原子發(fā)生能級躍遷，激發(fā)源必須激發(fā)與微波腔模式一致的電磁場分量[11]。外部能量可以通過多種方式耦合到諧振腔，一般有三種，分別為電耦合、磁耦合和電磁混合耦合。其中，電磁混合激勵是在諧振腔外腔壁放置耦合波導(dǎo)作為激勵元件，由于微波諧振腔外側(cè)有很多外部裝置，這種激勵方式一般不用于對尺寸有嚴格要求的商品化銣原子鐘中；磁耦合通過耦合環(huán)來激發(fā)諧振腔磁場分量從而激勵腔中所需的諧振模式，其實質(zhì)是等效磁流，但耦合環(huán)需占用一定空間，不利于小型化設(shè)計，也不便于調(diào)節(jié)；而電激勵的元件為耦合探針，為激勵起腔中所需的振蕩模式，探針軸線方向在諧振腔中應(yīng)同電場方向一致[12]，這種方式占用空間小，操作簡單便于調(diào)節(jié)，且能激發(fā)腔中所需的諧振模式，是商品化銣原子鐘的首選方案。本文主要研究探針激勵的方法，采用探針激勵的方式，選用 50 Ω同軸線作為探針激勵，分析探針放置不同位置以及天線長度對諧振頻率以及 S11的影響。

2 仿真分析

首先在無外部激勵的情況下，仿真銣原子鐘圓柱諧振腔在加入光電組件、吸收泡等介質(zhì)后的本征模，得到諧振頻率、品質(zhì)因子和諧振模式。然后在激勵模式下，仿真分析耦合探針位置、長度、調(diào)諧螺桿對微波諧振腔特性的影響，為腔體的設(shè)計提供參考依據(jù)。

2.1 腔體本征模仿真分析

本文研究的腔體采用圓柱諧振腔，腔長為50 mm，直徑為28 mm，其縱向尺寸L> 2.1 R（橫向半徑），吸收泡采用玻璃材料，厚度為1 mm，放置于諧振腔中心位置；光電組件總體高度6 mm，光電池為二氧化硅，放置于諧振腔底部。通過HFSS仿真得到本征模求解下諧振頻率為6.843 5 GHz，品質(zhì)因數(shù)為997；電磁場分布如圖1所示。由圖可知該模式為典型的TE111模，電場線垂直于軸向分布，電場能量主要集中于中心處，向兩端面方向遞減；磁力線存在平行于軸線的磁場，磁場主要集中在兩側(cè)壁區(qū)域。

圖1 本征模式下電磁場分布情況

2.2 探針激勵仿真分析

耦合探針用于激勵微波諧振腔的諧振模式。根據(jù)理論分析，耦合探針應(yīng)與諧振腔內(nèi)電場方向一致，通過諧振腔電場的分布可以大致確定探針的方向。但耦合探針位置、長度的不同，也會對微波腔的諧振特性（諧振頻率、回波損耗）產(chǎn)生較大影響。分析加外部激勵的微波腔諧振特性屬于復(fù)雜的電磁場問題，無法通過理論計算得到，需要利用HFSS仿真軟件進行分析。由于諧振腔中心區(qū)域需放置吸收泡，所以耦合探針考慮放置在諧振腔的頂部空腔區(qū)域和底部空腔區(qū)域，探針采用同軸電纜，由內(nèi)到外為中心導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、金屬屏蔽層；設(shè)置絕緣介質(zhì)的表面為PEC，同軸電纜的金屬屏蔽層不必加入建模，諧振腔探針激勵仿真模型如圖2所示，本文分別分析了探針位于微波諧振腔頂部和底部兩種位置時，探針位置和長度對微波諧振腔性能的影響。

圖2 諧振腔探針激勵仿真模型

當探針放置于腔體頂部空間區(qū)域時，根據(jù)腔體以及探針實際尺寸，掃描了探針位置M從42～48 mm的不同參數(shù)，探針長度N從12～24 mm的不同參數(shù)，通過參數(shù)掃描可得到不同探針位置和不同探針長度激勵時的S11曲線，如圖3和4所示。由圖可知，當探針長度為18 mm時，隨探針位置的上移諧振頻率依次減小，回波損耗逐漸增大，當探針位置M為46 mm時，諧振頻率為6.84 GHz，此時回波損耗為-21 dB；此時諧振頻率最接近銣原子躍遷頻率，因此固定該探針位置，掃描不同探針長度，隨探針長度的增加，諧振頻率變化較小，基本在6.834 GHz左右，而回波損耗隨探針長度的增加先減小再增大，當探針長度N為16 mm時，回波損耗最小為-27 dB。在6.4～7.2 GHz范圍內(nèi)只激起了這一種模式，探針激勵下諧振頻率在6.834 GHz的電磁場分布如圖5所示，由電磁場分布可知該模式為TE111模，電場能量主要集中于中心處，磁場主要集中在兩側(cè)壁區(qū)域。

圖3 探針位于頂部不同位置激勵時S11曲線

圖4 不同探針長度位于頂部激勵時S11曲線

圖5 探針位于諧振腔頂部激勵時電磁場分布

當探針放置于腔體底部區(qū)域時，根據(jù)腔體空間區(qū)域，掃描了探針位置M從7～11 mm的不同參數(shù)，探針長度N從14～20 mm的不同參數(shù)，通過參數(shù)掃描得到不同探針位置和不同探針長度激勵時的S11曲線，如圖6和7所示。由圖可知，不同參數(shù)激勵下回波損耗都很大，而且隨不同參數(shù)的變化對回波損耗的影響很?。磺惑w的電磁場分布如圖8所示，由圖可以看出該磁場分布模式不是TE111模，由于結(jié)構(gòu)的變化造成了諧振腔頻率的偏移較大，所以在6.834 GHz頻點附近未能激起所需的諧振模式，電場主要集中在腔體中上部，偏離中心位置，磁場較小且分布不均。

圖6 探針位于底部不同位置激勵時S11曲線

圖7 不同探針長度位于底部激勵時S11曲線

圖8 探針位于諧振腔底部激勵時電磁場分布

2.3 螺桿調(diào)諧仿真分析

在實際生產(chǎn)中由于無法避免的加工公差以及填充介質(zhì)介電常數(shù)的影響，HFSS軟件仿真結(jié)果與實際生產(chǎn)時會存在偏差，需要設(shè)計調(diào)諧螺桿，對腔頻進行精細調(diào)節(jié)。增加調(diào)諧螺桿可以對腔體內(nèi)部電磁場產(chǎn)生一定程度的微擾，從而可以進行微波諧振腔諧振頻率的調(diào)諧。本文選取M2的調(diào)諧螺桿進行分析，調(diào)諧螺桿放置位置如圖9所示，研究了調(diào)諧螺桿正對于探針放置和垂直于探針放置兩種不同位置時，調(diào)諧螺桿旋入腔體深度對諧振頻率以及回波損耗的影響規(guī)律。

圖9 調(diào)諧螺桿放置位置

當調(diào)諧螺桿正對于探針放置時，掃描螺桿不同的旋入深度B，探針激勵下螺桿不同旋入深度的S11曲線如圖10所示，由圖可以看出：隨螺桿旋入深度的增加，諧振頻率逐漸減小，旋入深度每增加1 mm，諧振頻率可減小0.01 GHz左右；隨螺桿旋入深度的增加，回波損耗先減小再增加，當調(diào)諧螺桿旋入深度為4 mm時，回波損耗最小為-34 dB，當螺桿旋入深度≥7 mm時對腔內(nèi)的電磁場擾動較大，諧振頻率變化較大，且回波損耗也較大。

圖10 螺桿正對于探針時不同旋入深度的S11曲線

當調(diào)諧螺桿垂直于探針放置時，掃描螺桿不同的旋入深度B，探針激勵下螺桿不同旋入深度的S11曲線如圖11所示，由圖可以看出，隨螺桿旋入深度的增加，諧振頻率變化不明顯，對回波損耗有一定的影響，當螺桿旋入深度較小時，回波損耗變化較小，當調(diào)諧螺桿旋入深度為6 mm時，回波損耗最小為-29 dB，旋入深度繼續(xù)增加時，回波損耗也增大。因此分析可得調(diào)諧螺桿正對于探針放置時對諧振頻率的調(diào)諧效果更好。

圖11 螺桿垂直于探針時不同旋入深度的S11曲線

3 實驗驗證

根據(jù)仿真的最優(yōu)結(jié)果設(shè)計加工了腔體及探針激勵形式，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試諧振腔的諧振特性，諧振頻率和S11參數(shù)，測得結(jié)果如圖12所示。探針放置于頂部區(qū)域，天線長度為16 mm，① 未加調(diào)諧螺桿時，測得諧振腔諧振頻率為6.84 GHz，S11峰值為-35 dB，② 添加M2的調(diào)諧螺桿時，正對于探針旋入3 mm左右，諧振頻率可以調(diào)諧至銣原子躍遷頻率6.834 GHz，S11峰值為-39 dB，仿真與實測得到的S11曲線的趨勢基本一致。

圖12 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得S11曲線

4 結(jié)語

本文針對銣原子鐘諧振腔，研究了采用探針激勵的方式，分析探針不同位置以及探針天線長度對諧振腔諧振頻率以及S11的影響，并在探針激勵下研究了調(diào)諧螺桿對諧振頻率及S11的影響，得出結(jié)論如下：

① 采用探針激勵的方式，探針放置于腔體頂部比探針放置于腔體底部能夠更好地激起TE111模式，激勵效果佳且電磁場分布相對均勻，通過參數(shù)掃描可以得到特定頻率點更好的S11曲線。

② 采用探針激勵，隨探針位置上移，諧振頻率減小，回波損耗逐漸增大，隨探針天線長度的增加，頻率變化較小，回波損耗先減小再增大，對探針位置以及天線長度進行參數(shù)掃描分析，獲得了S11最佳值為-27 dB。

③ 調(diào)諧螺桿正對于探針放置時比調(diào)諧螺桿垂直于探針放置時對諧振頻率的調(diào)諧效果更好，隨螺桿旋入深度的增加，諧振頻率逐漸減小，回波損耗先減小再增加，旋入深度每增加 1 mm，諧振頻率可減小0.01 GHz左右，對調(diào)諧螺桿旋入深度進行參數(shù)掃描分析，獲得了S11最佳值為-34 dB。

④ 經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實測得到仿真與實測的S11曲線趨勢基本一致，通過軟件仿真分析對實際腔體激勵設(shè)計具有很好的指導(dǎo)意義。