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(gè)頻率為6.834 GHz的微波作用場所，以激勵(lì)吸收泡中的銣原子發(fā)生能級(jí)躍遷，產(chǎn)生微波躍遷信號(hào)[1-2]。微波腔的高品質(zhì)因數(shù)、適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)、高穩(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(duì)于銣原子頻標(biāo)中諧振腔加外部激勵(lì)方面的研究較少，而外部激勵(lì)是影響銣原子鐘性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。本文針對(duì)前期采用耦合環(huán)激勵(lì)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(lì)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(lì)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(jìn)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(lì)的可行性，從而進(jìn)一步優(yōu)化微波諧振腔激勵(lì)方式。

1 微波諧振腔激勵(lì)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(chǔ)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(lì)吸收泡中的銣原子躍遷，產(chǎn)生微波躍遷信號(hào)。評(píng)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(chǔ)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(dāng)在某個(gè)頻率時(shí)，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(gè)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(lì)元件在腔中某一局部區(qū)域激勵(lì)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(gè)微波諧振腔中激勵(lì)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(lì)吸收泡中的銣原子發(fā)生能級(jí)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(lì)是在諧振腔外腔壁放置耦合波導(dǎo)作為激勵(lì)元件，由于微波諧振腔外側(cè)有很多外部裝置，這種激勵(lì)方式一般不用于對(duì)尺寸有嚴(yán)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(lì)腔中所需的諧振模式，其實(shí)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(jì)，也不便于調(diào)節(jié)；而電激勵(lì)的元件為耦合探針，為激勵(lì)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(lì)的方法，采用探針激勵(lì)的方式，選用 50 Ω同軸線作為探針激勵(lì)，分析探針放置不同位置以及天線長度對(duì)諧振頻率以及 S11的影響。

2 仿真分析

首先在無外部激勵(lì)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(lì)模式下，仿真分析耦合探針位置、長度、調(diào)諧螺桿對(duì)微波諧振腔特性的影響，為腔體的設(shè)計(jì)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(lì)仿真分析

耦合探針用于激勵(lì)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(huì)對(duì)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(lì)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(jì)算得到，需要利用HFSS仿真軟件進(jìn)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(lì)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(shí)，探針位置和長度對(duì)微波諧振腔性能的影響。

圖2 諧振腔探針激勵(lì)仿真模型

當(dāng)探針放置于腔體頂部空間區(qū)域時(shí)，根據(jù)腔體以及探針實(shí)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(lì)時(shí)的S11曲線，如圖3和4所示。由圖可知，當(dāng)探針長度為18 mm時(shí)，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(dāng)探針位置M為46 mm時(shí)，諧振頻率為6.84 GHz，此時(shí)回波損耗為-21 dB；此時(shí)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(dāng)探針長度N為16 mm時(shí)，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(lì)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(lì)時(shí)S11曲線

圖4 不同探針長度位于頂部激勵(lì)時(shí)S11曲線

圖5 探針位于諧振腔頂部激勵(lì)時(shí)電磁場分布

當(dāng)探針放置于腔體底部區(qū)域時(shí)，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(lì)時(shí)的S11曲線，如圖6和7所示。由圖可知，不同參數(shù)激勵(lì)下回波損耗都很大，而且隨不同參數(shù)的變化對(duì)回波損耗的影響很小；腔體的電磁場分布如圖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(diǎn)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(lì)時(shí)S11曲線

圖7 不同探針長度位于底部激勵(lì)時(shí)S11曲線

圖8 探針位于諧振腔底部激勵(lì)時(shí)電磁場分布

2.3 螺桿調(diào)諧仿真分析

在實(shí)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(shí)際生產(chǎn)時(shí)會(huì)存在偏差，需要設(shè)計(jì)調(diào)諧螺桿，對(duì)腔頻進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。增加調(diào)諧螺桿可以對(duì)腔體內(nèi)部電磁場產(chǎn)生一定程度的微擾，從而可以進(jìn)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(jìn)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(duì)于探針放置和垂直于探針放置兩種不同位置時(shí)，調(diào)諧螺桿旋入腔體深度對(duì)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(dāng)調(diào)諧螺桿正對(duì)于探針放置時(shí)，掃描螺桿不同的旋入深度B，探針激勵(lì)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(dāng)調(diào)諧螺桿旋入深度為4 mm時(shí)，回波損耗最小為-34 dB，當(dāng)螺桿旋入深度≥7 mm時(shí)對(duì)腔內(nèi)的電磁場擾動(dòng)較大，諧振頻率變化較大，且回波損耗也較大。

圖10 螺桿正對(duì)于探針時(shí)不同旋入深度的S11曲線

當(dāng)調(diào)諧螺桿垂直于探針放置時(shí)，掃描螺桿不同的旋入深度B，探針激勵(lì)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(duì)回波損耗有一定的影響，當(dāng)螺桿旋入深度較小時(shí)，回波損耗變化較小，當(dāng)調(diào)諧螺桿旋入深度為6 mm時(shí)，回波損耗最小為-29 dB，旋入深度繼續(xù)增加時(shí)，回波損耗也增大。因此分析可得調(diào)諧螺桿正對(duì)于探針放置時(shí)對(duì)諧振頻率的調(diào)諧效果更好。

圖11 螺桿垂直于探針時(shí)不同旋入深度的S11曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真的最優(yōu)結(jié)果設(shè)計(jì)加工了腔體及探針激勵(lì)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(shí)，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(shí)，正對(duì)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(shí)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(duì)銣原子鐘諧振腔，研究了采用探針激勵(lì)的方式，分析探針不同位置以及探針天線長度對(duì)諧振腔諧振頻率以及S11的影響，并在探針激勵(lì)下研究了調(diào)諧螺桿對(duì)諧振頻率及S11的影響，得出結(jié)論如下：

① 采用探針激勵(lì)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(lì)效果佳且電磁場分布相對(duì)均勻，通過參數(shù)掃描可以得到特定頻率點(diǎn)更好的S11曲線。

② 采用探針激勵(lì)，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(duì)探針位置以及天線長度進(jìn)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(duì)于探針放置時(shí)比調(diào)諧螺桿垂直于探針放置時(shí)對(duì)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(duì)調(diào)諧螺桿旋入深度進(jìn)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(shí)測得到仿真與實(shí)測的S11曲線趨勢基本一致，通過軟件仿真分析對(duì)實(shí)際腔體激勵(lì)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。