一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，函数信号发生器产生的相位调制信号，通过相位调制器对微波源输出的微波信号进行相位调制，得到的相位调制微波信号在铯原子拉比共振磁场传感器中产生拉比共振，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘、滤波，得到直流误差信号，处理单元根据直流误差信号峰值点处相位调制信号的频率、设定功率的相位调制信号参考频率进行比较并输出误差信号，幅度控制器根据误差信号对进行微波源输出微波信号幅度进行控制，使其稳定在设定值。本发明专利技术将微波信号的功率转换为频率进行控制，提升铯原子钟微波信号功率的稳定性，避免了由于微波信号功率不稳定造成的铯原子钟的指标恶化。钟的指标恶化。钟的指标恶化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统


[0001]本专利技术属于微波功率稳定
，更为具体地讲，涉及一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统。

技术介绍

[0002]高频的微波信号已经广泛应用于空间探测、军事反潜、生物磁场测量和地质探测等
微波功率稳定性对于实际工程应用与基础研究非常重要。例如，军民用国家标准时间守时小型微波铯束原子钟(简称“小铯钟”)便是其中一个代表，因为小铯钟的长期稳定度与微波信号的功率稳定性有直接的关系。各国时频基准机构的研究表明，微波功率波动是导致长稳恶化的主因。因此微波功率的控制至关重要，实现功率波动小于0.005dB的目标具有显著的实际价值。目前稳定高频的微波功率的方法，主要可分为电子测量法和物理效应法两种。电子测量法主要采用电学元件对功率进行测量，利用伺服环路进行反馈控制。物理效应法主要采用原子/分子物理原理对功率进行测量，利用伺服环路进行反馈控制。由此可见，微波功率的基础是实现高精度的微波功率测量。
[0003]随着微波技术的发展，特别是微波毫米波技术的深入发展，毫米波电子进入超高频领域，这对高灵敏度微波测量技术，带来新的挑战与要求。实现高空间分辨率、高灵敏度的微波磁场表征的测量方法为高精度微波功率稳定指明了方向。
[0004]现有基于微波磁场精密测量技术的各种类型传感器也已广泛应用于各类工程领域。例如微波扫描探针经常被用于生物影像待测场检测。微波扫描也常被用于桥梁路基工程混凝土中的断裂无损检测。高频微波探头也是微波芯片局域诊断的常用工具。基于自旋电子学设计的传感器也被用来实现电磁场的近场测量，该技术利用自旋整流效应，将时变的微波信号转换为直流电信号。此外，通过塞贝克整流效应将磁隧道结中的温差直接转换成电压，可将动态的电磁信号直接转化成直流电信号，标定微波磁场，其探测灵敏度已经可达1mV/mW。综上现有实际微波磁场手段，考虑到现有探测传感器的精度、尺寸、破坏性以及高温或低温等恶劣条件，寻找一种切实可行且可突破传统测量精度极限的高分辨率微波磁场测量方法对于微波功率稳定来说具有重要的意义和实际工程价值。
[0005]微波功率测量与稳定主要有以下两种方式：
[0006]1、基于电磁效应的磁场测量与稳定技术
[0007]电磁效应是利用导体或半导体中的电流在磁场作用下产生的电磁效应，在磁生电，电生磁这个反复的过程中进行有效的测量。日常通用的电磁效应有霍尔效应跟磁阻效应。
[0008]霍尔效应是指当垂直于外磁场方向的电流通过导体时，在垂直磁场和电流方向的导体两个端面之间出现的电势差的现象。霍尔效应的本质是固体材料中的载流子在外磁场运动的时候，由于受到洛伦兹力的作用从而使轨迹发生偏移，同时在材料的两端产生电荷积累，形成与电流方向垂直的电场，在载流子受到的洛伦兹力和电场排斥力达到平衡状态时，就会在两侧建立起一个稳定的电势差。
[0009]磁阻效应是指能够带电的导体或半导体的电阻值随着外磁场的变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。当磁力与电场排斥力达到平衡状态时，载流子在两端就聚集从而产生电场，比电场速度慢的载流子就会向电场力方向偏移，在比电场速度快的载流子就会向着洛伦兹力方向偏移，这种偏移就睡的载流子的漂移路径增加，从而使得电阻增加。由于磁阻器件的灵敏性较强，这种方法在医学方面应用的比较多。在20世纪70年代研发的薄膜技术，磁阻效用这一方法取得了较大的发展，这种方法处理不仅能测量恒定磁场，还可以对不均匀，变化速度快的磁场进行测量。对磁场强的测量值可以换算为功率的测量值，再利用伺服控制技术，进而实现对电路激励功率的稳定。
[0010]2、基于热敏信号的微波功率测量与稳定技术
[0011]热敏电阻是一种具有负温度系数的电阻元件,当它的温度升高时,电阻值就变小,因此被广泛地用于微瓦和毫瓦级的功率测量中。用热敏电阻测量微波功率时,最常用的是惠斯登电路作为测量和指示装置,即把功率座中的热敏电阻作为电桥的一个臂,利用热敏电阻吸收微波功率后阻值的变化来测量微波功率。此外，热电偶是由两种不同的金属材料组成的,如果把热电偶的热结点置于微波电磁场中,使之直接吸收微波功率,热结点的温度便上升,并由热电偶检测出温度差,该温度差热电势便可作为微波功率的量度。通过热敏信号获得功率测量值进而再控制微波功率，可以实现微波信号功率的稳定。
[0012]以上所介绍的基于电磁效应的磁场测量与稳定技术，只适用于稳定的静磁场，或者是频率不高的交变信号磁场，对于极高频率的微波磁场测量则无能力为。基于热敏信号的微波功率测量与稳定技术存在精度受限、测量频率不高、以及和原子频率标准无法自校准的难题。
[0013]大量实验验证铯原子钟的长期稳定度恶化与在Ramsey腔内的9.192GHz微波信号的功率波动有直接关系，且微波信号功率波动还可通过一系列物理效应引起频移，导致铯原子钟的指标恶化。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，以提升铯原子钟微波信号功率的稳定性，避免铯原子钟的指标恶化。
[0015]为实现上述专利技术目的，本专利技术基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，包括：
[0016]微波源，用于输出功率稳定的、铯原子钟所需的微波信号；
[0017]其特征在于，还包括：
[0018]函数信号发生器，用于产生相位调制信号并输出给相位调制器和处理单元，相位调制信号从直流到百kHz进行周期性扫描；
[0019]一相位调制器，根据函数信号发生器产生的相位调制信号，对微波源输出的微波信号进行相位调制，并输出相位调制微波信号给铯原子拉比共振磁场传感器以及倍频器；
[0020]一铯原子拉比共振磁场传感器，由微波腔、铯原子气室、激光源、二分之一玻片、偏振分光棱镜、光阑以及光探测器构成，其中，铯原子气室置于微波腔中；
[0021]首先激光源输出的852nm激光通过二分之一玻片、偏振分光棱镜以及光阑从上方端口进入微波腔中的铯原子气室，实现对铯原子的能级跃迁，然后相位调制器输出的相位调制微波信号，从微波腔的左方端口馈入穿过铯原子气室再从右端口输出，相位调制微波信号在微波腔中与铯原子气室中的铯原子达到产生拉比共振的条件，产生拉比共振，最后通过穿过铯原子气室的852nm激光变为探测光，光探测器对其进行探测，完成对相互作用信息的提取，输出与相位调制频率相同的共振频率信号，并将共振频率信号的2次谐波信号输出给乘法器；
[0022]一倍频器，用于对相位调制信号进行倍频，并输出倍频相位调制信号给乘法器；
[0023]一乘法器，用于对2次谐波信号与倍频相位调制信号进行相乘，并对乘积信号进行滤波，滤出高频部分获得直流误差信号，并输出给处理单元；
[0024]一处理单元，根据直流误差信号的峰值点，获取峰值点处函数信号发生器输出相位调制信号的频率，并与设定功率的相位调制信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铯原子拉比共振的铯原子钟微波信号功率稳定系统，包括：微波源，用于输出功率稳定的、铯原子钟所需的微波信号；其特征在于，还包括：函数信号发生器，用于产生相位调制信号并输出给相位调制器和处理单元，相位调制信号从直流到百kHz进行周期性扫描；一相位调制器，根据函数信号发生器产生的相位调制信号，对微波源输出的微波信号进行相位调制，并输出相位调制微波信号给铯原子拉比共振磁场传感器以及倍频器；一铯原子拉比共振磁场传感器，由微波腔、铯原子气室、激光源、二分之一玻片、偏振分光棱镜、光阑以及光探测器构成，其中，铯原子气室置于微波腔中；首先激光源输出的852nm激光通过二分之一玻片、偏振分光棱镜以及光阑从上方端口进入微波腔中的铯原子气室，实现对铯原子的能级跃迁，然后相位调制器输出的相位调制微波信号，从微波腔的左方端口馈入穿过铯原子气室再从右端口输出，相位调制微波信号在微波腔中与铯原子气室中的铯原子达到产生拉比共振的条件，产生拉比共振，最后通过穿过铯原子气室的852nm激光变为探测光，光探测器对其进行探测，完成对相互...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯冬，张鹏，方陆军，郭广坤，刘科，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：