基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展

近年来，采用里德堡原子的微波电场测量技术得到了迅速发展，获得了广泛应用。该电场探测技术是一项全新技术，可以将微波电场通过基本物理常数与频率测量直接关联，具有测量动态范围大、测量灵敏度高和测量不确定度小的特点，有望替代传统溯源路径，直接关联国际单位制（SI）。本文基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术原理，针对国内外微波电场的高准确度、高灵敏度和极化方向测量技术发展现状，和对微波电场测量的工程化光源系统，蒸气室探头的仿真验证实验和集成式蒸气室探头的设计研究等方面的相关进展做了详细介绍。     

用于里德堡原子高精度微波电场测量的小型化激光系统设计与实现

基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小,有望成为新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波电场基准。本文介绍了一种可用于铯原子里德堡态激发的小型化绿光激光系统。该激光系统采用Littorw型光栅外腔反馈结构,实现了输出功率大于80mW的单频509nm绿光激光。利用该激光系统结合常规852nm激光实现了铯原子50D和50S里德堡态电磁感应透明(EIT)光谱。该激光系统的实现,为微型化、可扩展的绿光激光系统提供一种可行性方案,有利于实用化原子介质电场精密测量设备的实现。     

基于混响室的电场探头校准方法研究

针对电场探头在高场强下的校准需求，本文提出了利用混响室开展电场探头校准，介绍了基于混响室的电场探头校准原理和校准方法，解决了200V/m以上高场强环境下电场探头的校准问题，并与微波场强标准中的测量结果进行了对比分析。两组测量结果具有较好的一致性。     

空间微波辐射基准传递溯源展望

面向全球气候变化研究和高精度气象预报对空间微波辐射测量基准的迫切需求,由于传递链路复杂导致国际微波辐射基准尚未建立,为进一步提升遥感卫星观测精度和稳定性,建立空间辐射基准溯源评价体系,前瞻性地提出高精度可溯源的空间微波辐射基准传递顶层方案和技术解决方案,明确需要突破的微波辐射基准载荷关键技术,空间微波辐射基准传递与溯源理论、方法和模型,全链路微波辐射基准溯源传递一体化验证技术,微波系统全链路物理级基准传递和误差仿真评估技术等,为空间微波辐射测量提供统一参考基准,实现高精度、高稳定、可溯源的空间微波探测能力,提升中国空间微波辐射测量的核心竞争力。     

基于光纤双向时间比对的溯源系统设计与实现

为了实现高精度原子时标的远距离溯源需求,构建一种基于光纤双向时间比对的溯源系统,结合光纤双向时间比对技术指标高的优点,实现本地原子时标向远端标准时间进行溯源,通过采用主备路设备冗余备份机制,提升了系统的可靠性。试验结果表明：基于光纤双向时间比对的技术手段,获得了与标准时间溯源时差优于1 ns,溯源效果达到日频率稳定度在5E-15以内,同时利用主备路时间同步技术实现了主备路时差优于0.3 ns。     

小型铯原子钟微波腔调谐过程的仿真研究

通过建立模型,利用Ansoft HFSS 12.0对小型铯原子钟内微波腔的调谐过程进行了仿真,得到了调谐棒半径、在调配器内长度与微波腔谐振频率之间的关系曲线。结果表明,调谐棒半径一定时,调谐棒长度在一定范围内,微波腔谐振频率随着长度的增加逐渐下降;随着半径的增大,微波腔谐振频率的变化范围逐渐增大,在铯原子跃迁中心频率处,调谐棒长度对微波腔谐振频率的影响变大。根据仿真结果,给出了调谐棒半径的取值范围,为微波腔的设计、加工和调谐提供了理论指导。     

远区电场标准装置的研制

远区电场标准装置中采用标准场法与标准天线法互相比对，可在３０～１０００ＭＨｚ频率范围内建立不大于３Ｖ／ｍ场强的标准远区电场。在标准发射天线中采用射频校准，使得测量发射无线馈点电流的准确度大为提高；在标准接收天线中使用低势垒二极管，可准确测量远区场强。标准场法与标准天线法的比对误差为±１ｄＢ，达到国际同类装置水平。     

磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

基于冷原子的量子真空计量技术研究进展

在国际单位制量子化变革背景下,随着激光冷却碱金属原子技术的发展,基于冷原子的真空测量技术研究成为实现超高/极高真空范围量子化测量的突破点。本文对基于冷原子的真空测量方法进行原理解析,分析该方法的优缺点,并介绍了国内外计量机构对基于冷原子真空测量装置的研究进展情况,及项目组设计的基于冷原子量子真空测量装置原理及运作方式。综上可知,基于冷原子的量子真空测量方法在超高/极高真空计量领域具有独特优势,是实现超高/极高真空范围量子化真空测量的研究热点。结合基于冷原子的量子真空测量装置和abinitio算法,将成为超高/极高真空计量领域原级标准的测量方法之一。     

全向电场探头及数据采集系统

全向电场探头及数据采集系统是一种近区电场测量装置,主要用于电磁敏感度(EMS)实验,屏蔽室及无回波室内电磁场辐射强度大小的测定。借助于薄膜沉淀与光刻技术,电阻锥形加载的使用,对传统的偶极子单元作了重要改进。拓宽了带宽,得到了平坦的频率响应,宽的动态范围,小的尺寸,减少场的扰动和失真并完全消除了带内谐振。频率范围:100kH～18GHz,频率响应:±2dB(10MHz～18GHz),动态测量范围:1～1600V/m。数据采集系统光纤通讯技术的应用,使电磁场的测量进入了一个新的领域,增强了测试系统的防泄漏、抗干扰能力。微处理器芯片及标准IEEE-488接口的使用,实现了测试设备的可程控、自动化功能。它是一种先进的近区电场测量装置,并且是电磁兼容计量测试实验室中必不可少的测量装置之一。     

国内外频率标准发展现状

时间频率在国家经济建设、科学研究、国家安全具有十分重要的意义。本文介绍了国内外高稳晶振、铷原子频率标准、守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准、微型相干布局囚禁原子钟、低温蓝宝石微波源和超稳激光微波源以及铯原子喷泉钟的国内外发展情况、技术指标等。铷原子频率标准打破国外垄断，为北斗导航系统提供高精度的时间基准，守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准已实现工程化，但日频率稳定度和日频率漂移率指标有待进一步提高，铯喷泉基准方面已接近国际先进水平，新型原子频标发展方兴未艾。     

高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6.4K时，其Q值能够达到4.0×10⁸。以此微波腔为基础，形成正反馈振荡回路，并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制，提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求，采用共用一个低温装置的方案，构建了两台低温蓝宝石微波源，一路输出频率为9.204GHz，另一路输出频率为9.205GHz，两路信号混频，并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算，低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3.28×10^-15。     

信号源短期频率稳定度评述

前言近年来国内外在无线电通讯、雷达、空间技术、计测技术等方面对频率源短稳的要求更加严格。因此,在低噪声频率源研制工作方面发展很快,同时相应地研制和建立了优质频标组合系统以及极低门限短稳测量系统,其频率已扩至微波范围。短期频率稳定     

DMT－1动态调制测试系统的研制

该测试系统是配合半主动寻的制导系统的测试设备。主要用于测量载波随时间变化的调频信号的调制频率、载波频率、最大频偏量和调制信号经调制器后产生的相移等参数，还可对两微波信号混频后的频率进行测量。该系统采用了脉冲计数式鉴频器方案，具有线性鉴频范围大，便于集成化等优点，并解决了小频偏测量和调制器引起调制信号相移的测量。电路设计中采用了高性能低通滤波器设计、高稳定度低织波稳压电源设计、ＰＬＤ器件和良好的屏蔽等多种措施；在数据处理中采用了多点平滑、分频段定标、计算公式细化等多种技术，使测试准确度达到或超过技术要求的指标。该系统具有电路设计合理、测试及数据处理速度快、使用操作简便、自检定标方便、测试准确度高、工作稳定可靠等特点。     

基于串联低中频替代法的衰减测量系统

介绍了一种以半自动感应分压器作为中频标准衰减器,可实现准确、快速衰减测量的基于串联低中频替代法的微波衰减测量系统,并对半自动感应分压器、测量系统、测量结果和系统改进方法等部分进行了详细的分析。该系统在10MHz至18GHz频率范围内可测量衰减的范围为(0~80)dB。     

微波超宽带高速数控幅度调节器研制

微波频率源技术中常常要求实现微波输出信号功率电平的高精度、小步进调控。作为频率合成器中的重要组成部分, 微波功率幅度控制器的指标好坏对微波频率合成器的功率性能的优劣有很大影响。随着使用要求的不断提升，频率合成器等设备对带宽、速度的要求也越来越高。本文概述了微波超宽带高速幅度控制的背景及现状，详细介绍了微波超宽带高速数控幅度调节器设计原理、设计方法、实现手段及实现指标等内容。     

热色液晶在检测和显示上的应用

对热色液晶在表面温度测量,微波、激光、超声等场分布的检测,以及国内外的应用实例作了简要叙述。介绍了热色液晶在微波场强分布、微带天线方向图、物理教学中电磁场图像的直观显示、金属表面热传递系数的测量。以及在医学中的广泛应用。指出了热色液晶在无损探伤,热控液晶字母数字显示,各种传感器、广告、玩具、装饰等方面的发展前景。最后给出了热色液晶的检测参数。     

微波超宽带高速数控幅度调节器研制

微波频率源技术中常常要求实现微波输出信号功率电平的高精度、小步进调控。作为频率合成器中的重要组成部分,微波功率幅度控制器的指标好坏对微波频率合成器的功率性能的优劣有很大影响。随着使用要求的不断提升,频率合成器等设备对带宽、速度的要求也越来越高。本文概述了微波超宽带高速幅度控制的背景及现状,详细介绍了微波超宽带高速数控幅度调节器设计原理、设计方法、实现手段及实现指标等内容。     

一种变频功率标准源的研制

目前,国内外变频功率标准源的输出电压电流范围普遍局限于1 000V/80A以内,且最低频率为10Hz左右,无法满足实际变频电量测量仪器计量检定的需要。大量程宽范围变频功率标准源的研制,可以完善变频电量量值溯源体系,从根本上改变了变频电量测量仪器无法溯源,检定校准无标准可依的局面。     

同心锥形TEM室结构设计及性能研究

针对目前场强探头在实际使用中无法进行宽带场强校准的问题,研制了同心锥形TEM室宽带场强校准系统,该系统可实现200MHz～40GHz频段内(1～200)V/m场强范围的场强探头频率响应、线性响应、场强幅度范围等参数的校准能力,为满足宽频带、大动态的场强校准需求打下良好基础。本文主要介绍同心锥形TEM室的阻抗匹配段和屏蔽门自顶向下的结构设计,并对其电性能进行了实验验证。