基于里德堡原子天线的微波场强仪比对验证_边武.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-06-09基金项目:国家自然科学基金(编号:61875060)基于里德堡原子天线的微波场强仪比对验证边武1，李仲启1，梁琼崇2，廖开宇1，张新定1，颜辉1(1.华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006;2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510570)摘 要:基于里德堡原子的微波场强测量可基于量子效应接收和测量微波电场，被认为在微波场强计量领域具备实用化潜力。通过对激光器、激光光路、室温铯原子天线等组件的定制与优化，制作了集成式原子微波场强仪。在微波暗室中，将基于该集成设备的测量方法及结果与现有计量体系下的微波场强计量标准，即标准场及标准场探头方法的结果进行比对。在 3.10GHz点频上的比对结果为:1)高功率(4.17V/m 14.85V/m)下，重复性为 0.44%0.71%，非线性度为 3.8%，比对误差为 2.61%3.31%;2)低功率(2.00V/m 4.69V/m)下，重复性为0.28%0.80%，非线性度为 1.7%，比对误差为 5.08%4.30%。结果表明，该原子微波场强仪的测试结果与现有标准场法测量结果吻合，而在重复性等指标上表现更优。关键词:里德堡原子;微波场强测量;微波场强仪;比对中图分类号:O562.3+2文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)06-02139doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.016Comparison Experiment of Integrated MicrowaveField Strength Meter Based on ydberg AtomicAntenna at oom TemperatureBIAN Wu1，LI Zhong-qi1，LIANG Qiong-chong2，LIAO Kai-yu1，ZHANG Xin-ding1，YAN Hui1(1.School of Physics and Telecommunications Engineering，South China Normal University，Guangzhou 510006;2.The Fifth Electronic esearch Institute，Ministry of Industry and Information Technology of thePeople s epublic of China，Guangzhou 510570)Abstract:The microwave field strength measurement method based on ydberg atom can receive and measure themicrowave electric field strength based on quantum effect，and is considered to have practical potential in the field of micro-wave field strength meterage.Through the customization and optimization of components such as lasers，laser optical paths，and room temperature cesium atomic antennas，an integrated atomic microwave field strength meter is fabricated.In the mi-crowave anechoic chamber，the measurement methods and results of this integrated equipment with the microwave fieldstrength measurement standard under the existing measurement system are compared，namely the standard field and thestandard field probe method.The comparison results at the 3.10GHz point frequency are:Under high power(4.17V/m 14.85V/m)，the repeatability is 0.44%0.71%，the nonlinearity is 3.8%，the comparison error is 2.61%3.31%导航与控制2022 年第 5/6 期Under low power(2.00V/m 4.69V/m)，the repeatability is 0.28%0.80%，nonlinearity is 1.7%，the comparison erroris 5.08%4.30%.The results show that the test results of the atomic microwave field strength meter are consistent with themeasurement results of the existing standard field method，and the performance is better in repeatability and other indicators.Key words:ydberg atom;microwave field strength measurement;microwave field strength meter;comparison0引言微波是信息工业的物理基础之一，广泛应用于无线通信、雷达、航空航天等领域。鉴于微波应用的广泛性，对微波场强准确测量以及量值传递是计量体系的一个极为重要的组成部分。传统上，微波场强计量体系采用电场探头或天线配合接收机进行微波场强的测量和量值传递。随着微波工业不断向前发展，基于金属材质天线自身的一些缺陷也日益明显，例如:天线自身会对待测场形成干扰;测量扩展不确定度较大，一般在4%20%之间;单个天线的频率响应范围往往较为狭窄，最小的探头尺寸也在厘米级，无法实现较高的空间分辨力。尤为重要的是，天线测量基于经典物理效应，测量结果本身不能朔源到基本物理常数，必须依赖从国家到地方的多级量值传递体系，从而需要大量资源维护1-5。近年来，基本物理量的计量从经典计量方式向量子计量转变的趋势日益明显。例如，时间计量溯源到原子激发态能级的发射谱线，长度计量溯源到一定时间内的真空中激光行程，等等。2018年，第 26 届国际计量大会表决通过了“修订国际单位制”的一号决议。从此，SI 的 7 个基本单位全部实行由基本常数定义，计量科学全面进入“量子计量时代”6。在以量子物理为基础的自然基准取代经典实物基准的技术变革中，产生了众多精密测量的新原理和新方法，极大提升了计量基准的技术水平，推进了量值传递扁平化，从而也推动了相关产业的发展。对微波场强的量子测量有可能成为建立量子计量标准的下一个突破口。研究人员发现处于高激发态的碱金属里德堡原子可以用来感知电场，这种基于量子效应的电场传感器又被称为原子天线。基于基础物理研究和潜在应用的双重驱动，对原子天线的研究进展迅速7。2012 年，美国俄克拉荷马大学的 Shaffer 等8利用里德堡原子电磁感应透明(EIT)和 Autler-Townes(AT)分裂光谱技术获得了 30V/(cmHz1/2)的电场测量极限灵敏度和 8V/cm 的最小电场强度。2016 年，美国密歇根大学 aithel 研究组与美国 NIST 研究人员9合作，利用里德堡 EIT 光谱实现了强射频电场的测量，并证实了里德堡原子电场测量仪具有较大的动态响应范围。2020 年，华南师范大学的廖开宇等10利用冷里德堡原子的电磁感应吸收(EIA)效应开展 了 微 波 电 场 测 量，最 小 可 溯 源 场 强 约 为100V/cm。同年，山西大学的张临杰等11基于原子超 外 差 方 法 测 量 微 波 电 场，实 验 上 获 得 了55nV/(cmHz1/2)的极限灵敏度，最小可探测微波场强约为 780pV/cm。此外，国内还有中国科学技术大学、中国计量科学研究院等单位在此领域开展了卓有成效的研究工作。基于里德堡原子的原子无线电技术正在得到越来越多的关注，其可能的应用涉及到通信、雷达、计量、安检安防、生物医疗成像、太赫兹等多个领域。其中，微波场强的精密测量与计量可能是原子天线技术最早应用的领域之一，开展原子天线与现有标准场天线的比对测试是必要的技术环节。基于此，本文设计制作了可移动的集成化微波场强测量仪，并在计量检测机构的电波暗室中开展了与基于标准场设备的微波场强测量比对实验。1实验装置与测试环境图 1 为本文设计制作的集成化微波场强测量仪的原理示意图，系统主要包括四个部分:1)两台高稳频激光器，中心频率分别为 852nm 和 509nm;2)针对激光进行调整修饰的光路;3)原子气室;4)探测器与未在图中画出的后端执行运算的主机。除了以上几个部分之外，设备还包括了激光锁频模块、激光电控模块、激光扫频模块、激光波长计、示波器等未在图中标明的辅助部分。852nm 的探测光由半导体激光器产生，探测光与耦合光通681第 5/6 期边武等:基于里德堡原子天线的微波场强仪比对验证过反向共线对穿的方式进入圆柱形石英铯原子气室中。509nm 激光器选用一台光纤激光器，由1018nm 的激光倍频而来。探测光与耦合光的典型功率分别为10W 和80mW 左右，探测光与耦合光均为线偏振光，微波的极化方向与探测光和耦合光线偏振的方向相同。如图 1 所示，当探测光、耦合光以及外场微波同时照射到原子气室并且满足图 1实验装置原理示意图Fig.1Schematic diagram of experimental setup原子的能级共振条件时，作频率扫描的探测光会观察到 EIT-AT 分裂现象，经光电探测器转换成电信号后输入到示波器(或数据采集器+上位机)进行信号显示和分析处理。图 2 为设计的集成式原子微波场强仪实物图。为了实现该原子微波场强仪的集成与小型化，通过选型定制了小型化激光器，集成了激光光路模块，如图2(a)所示。设计制作了与光纤耦合的铯原子天线，如图 2(b)所示。根据不同需求，连接天线的光纤长度可为 1m、3m 或 15m 不等。图 2(c)的仪器上部为控制电脑及原子天线支撑架，为了实现数据的自动采集、分析、计算，仪器内部已经集成了板卡示波器，在控制电脑上设计制作了专用的控制及计算软件，可以实现对微波场强测量信号的自动采集、成像、分析、计算以及数据存储及回放等功能。图 2原子微波场强仪实物图Fig.2Schematic diagram of atomic microwave field strength meter与原子微波场强仪作比对的标准场方法通常包含的设备有:微波信号发生器、微波功率放大器、定向耦合器、标准增益喇叭天线。另外，电场探头作为标准增益喇叭天线的标定设备也包括在其中。表 1 为测试使用的主要仪器设备清单。以上比对测试的环境为电波暗室。测试方法是以电场探头作为主标准进行测试，先标定喇叭天线的增益，再按场强公式计算场强。高场强由功率计通过定向耦合器监控馈入天线的净功率，低电平直接由信号发生器给出。所列出的技术指标均为计量设备的可信参数，例如线损为电缆在特定频点传输微波信号时经计量标定的损耗。测试布局和仪器接线如图 3 所示。由图 3 可知，比对测试的大致流程为:信号发生器产生特定频率的信号，经功率放大器得到较大功率的微波信号