对超小型磁控管微波腔频移的分析

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1、2010年4月宇航计测技术Apr．，2010第30卷第2期JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementV01．30．No．2文章．编号-：1000—7202(2010)02—0071-04中图分类：TM935．11文献标识码：A对超小型磁控管微波腔频移的分析雒向东1罗崇泰2(1．兰州城市学院培黎工程技术学院，兰州730070：2．兰州物理研究所表面工程技术国家级重点实验室，兰州730000)摘要用AnsoftHFSS仿真软件建立了超小型氢频标磁控管微波腔的模型结构，对仿真设计微波腔的各种频移进行了分析

2、。关键词磁控管微波腔仿真频移AnalysisofFrequencyShiftforExtremelySmallMagnetronMicrowaveCavityLUOXiang．don91LUOChong．tai2(1．PeiliTechnicalCoUegeofLanshouCityUniversity，Lanzllou730070；2．NationalKeyLabofSurfaceEngineering；1．anzhouInstituteofPhysic；Lanzhoa730000)AbstractThemodeofverysmallmag

3、netronmicrowavecavityofhydrogenmaserisbuiltbyAnsofiHFSS，anditsvariousfrequencyshiftsareanalyzed．KeywordsMagnetronMicrowavecavitySimulationFrequencyshift1引言导航卫星由于有效载荷的限制，所载氢钟必须小型化，而氢钟的小型化主要是其谐振腔的小型化设计，进而带动其它部件的减少。小型化的谐振腔是氢脉泽的心脏部件，其谐振频率的变化会引起脉泽输出频率的变化。所以，对小型谐振腔其频移及线宽问题的分析对提高小

4、型氢脉泽频率准确度有重要意义[¨。2超小型磁控管微波腔的设计‘2·3]2．1建立超小型氢频标磁控管微波腔模型取磁控管微波腔半径b=40inin、长￡=150lain，壳电极长度Z=100咖、半径a=20mm，电极厚度d=2mm，电极数rt=3，腔体为理想电壁，电极镀银，贮存泡体积近似为0．1256L，贮存泡为圆柱状，长度与壳电极等长，一端中心开有半径为0．7mm的圆孔，为石英玻璃材质，厚度为1ninl，模型如图l所示。2．2超小型氢频标磁控管微波腔本征模的仿真H1当壳电极缝隙间距为2．7nlnl时，TE。¨本征模谐振频率为1．4189GHz，

5、很接近氢原子超精细结构(0—0)跃迁频率，误差为±0．106％，品质因数Q为11264。从带泡磁控管微波腔磁场矢量分布图2、图3可看出磁场为TE。¨模式，从图4可看出磁场在磁控管内分布较强且变化比较均匀，从图5可看出电场主要分布在微波腔壳电极缝隙区域，电场已不收稿日期：2009一09—24作者简介：雒向东(1965一)，男，博士，教授，主要研究方向：原子频标与电磁场理论。·72·宇航计测技术2010越图1带贮存泡的磁控管微波腔模型图为1lE。¨模式。贮存泡的引入对磁控管微波腔电磁场结构分布影响较小，对磁控管微波腔谐振频率和图4带贮存泡的磁控腔

6、磁场幅度顶视图品质因数影响较大。图2带贮存泡的磁控腔磁场矢量顶视图图3带贮存泡的磁控腔磁场矢量侧视图2．3超小型氢频标磁控管微波腔的填充因子微波腔维持振荡所必需的最小反转粒子数差”仆赢∽y式中：Ⅳm叫能级粒子数；Ⅳn——，l能级粒子数；图S带泡磁控腔电场幅度顶视图K——腔体积；AⅣc——临界反转粒子数差值；方——常数；曰。——受激跃迁系数；g(∞)——归一化线性函数；Q。——腔品质因数。有时谐振腔内部能量分布很不均匀，增益介质仅占腔体的部分区间。因此，常用填充因子f来表示作用于原子系统上的场能量和腔内贮存能量的比值。用填充因子f将式(1)变为

7、Ⅳm—M2瓦：厕Vj△Ⅳc(2)可见，为了产生受激发射振荡，原子系统必须达到一个临界的反转粒子数差值AN。，这个差值越小就越容易振荡。因此，对量子振荡器件来说，我们总希望它的原子谱线宽度△山要窄，腔的Q值要高，填充因子f应尽可能大才行。对磁控管微波腔来讲，在Z》d的条件下，即泡子长度远大于泡子直径时，这样的设计结构将会很有效。事实上，具体常设计为Z≥3d。这时，在误差为±5％范围以内，填充因子近似计算公式为[61第2期对超小型磁控管微波腔频移的分析·73·叫刮-+黼}一图6填充因子与关系图根据HarryE．Peters分析知：最有效的泡子长度

8、是与电极等长，新设计结构与传统设计相比，对应各种不同鱼的值，填充因子均大于1．6倍。对文中超小微口波腔利用MANTLAB画出的图形，可见当b／a=2时，填充因子为0