星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

发布时间：2025-01-04 03:05

　　 星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1～1 000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。

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【部分图文】：

图1 (a) 直螺线管在储存泡区域的仿真模型;(b) 仿真结果

两段式亥姆霍兹线圈可在其中部区域产生均匀磁场。星载氢原子钟储存泡的轴向长度为150mm,如果使用两段式亥姆霍兹线圈产生包含储存泡在内的较大区域的均匀磁场,则线圈半径约为150mm,占用非常大的体积空间。考虑到星载氢原子钟的体积限制,故无法直接使用两段式亥姆霍兹线圈。参考亥姆霍....

图2 (a) 九段线圈在储存泡区域的仿真模型;(b) 仿真结果

多段线圈可调节的参数很多,既要足够的可调节参数,又要降低计算机仿真和物理机械结构实现的复杂性。借助ANSYS电磁场仿真软件,主要开展段数为九段的多段线圈仿真工作。该模型综合考虑星载氢钟中与C场相关的其他结构,比如C场支架、储存泡和磁屏蔽系统等。线圈输入电流0.02mA,刚好可以....

图3 (a) 直螺线管在储存泡区域中心轴线上的磁场均匀度;(b) 九段线圈在储存泡区域中心轴线上的磁场均匀度

直螺线管和九段线圈在储存泡区域中心轴线上产生的磁场均匀度如图3。由图3可知,直螺线管在储存泡区域中心轴线上产生的磁场均匀度在91%左右,但九段线圈在储存泡区域中心轴线上产生的磁场均匀度可提升至99.2%。计算和仿真表明,多段线圈的段数越多,可调节的参数也越多,更容易实现原子储存泡....

图4 九段线圈实物图

在实验过程中,磁屏蔽系统已使用大电流退磁,处于已退磁状态。谐振腔的微波输入功率为-90dBm,微波腔谐振频率调节至原子跃迁频率附近,1420.405751MHz±5KHz,两个线圈产生的C场大小均约为1mGauss。直螺线管线圈作用下的氢原子(0-0)跃迁信号增益为....

本文编号：4022810