超小型氢频标磁控管微波腔的仿真设计

    1 引言

    基于原子氢脉泽机理的氢原子钟是一种高精度的现代时间和频率标准。在氢频标中，微波腔是氢频标的关键部件，它的作用是储存辐射场，并在其中进行场与原子的相互作用。由于导航卫星有效载荷的限制，星载钟必须小型化，而氢频标的小型化主要在于小型谐振腔的设计，进而带动其它部件的减少，因此超小型氢频标谐振腔的设计就具有特别重要的意义。

    目前，关于小型氢原子频标微波腔文献已经不少，但由于这些微波腔结构复杂，应用经典电磁理论求解已变得非常困难。对形状复杂、填充介质的高频腔更难以得到解析解，通常由数值模拟方法求解，而对于空间超小型高频腔的仿真研究国内外报道较少。基于微波谐振腔理论^[1]，采用电磁场有限元方法^[2]分析微波工程问题的 Ansoft HFSS 三维电磁仿真软件，数值仿真超小型氢频标谐振腔的三维电磁场结构，研究各种因素对电磁场分布、谐振频率及品质因数 Q 的影响，优化设计出新型的超小型谐振腔，因此，兰州物理研究所研制的空间超小型高频腔可填补国内高频腔设计的空白。

    2 Ansoft HFSS 方法

    有限元方法是用许多子域来表示整个连续区域，它用线性或非线性方法求解被离散的四面体和六面体等子域单元，再把各子域单元的结果综合就会得到整个区域的解。电磁场离散成子域使得求解变得非常简单，仅是一些代数运算，在子域内应用现行插值就可得到子域内未知点的值，而区域积分变成了子域求和。

    Ansoft HFSS 是 Ansoft 公司推出的三维电磁仿真软件。HFSS 提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器，拥有电性能分析能力的强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的 S 参数和全波电磁场。使用 HFSS 可以计算基本电磁场数值解和开边界问题以及近远场辐射问题；可计算端口特征阻抗和传输常数、S 参数和相应端口阻抗的归一化 S 参数；也可确定结构的本征模或谐振解。由 Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 构成的 Ansoft 高频解决方案是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。在计算机飞速发展的今天，三维高频电磁仿真软件的计算速度、准确度及应用范围可以满足许多实际工程的需求^[3]。该论文使用Ansoft HFSS 软件对超小型氢原子频标微波腔进行建模、数值计算和电磁场模式结构的仿真设计。

    以文献^[4]中给出的标准氢原子频标为例进行仿真，微波腔采用空型圆柱腔，腔直径、长度均为278.4mm，腔内壁镀银，理论上具有最大无载品质因数 82000，电磁场结构模式为 TE₀₁₁，共振频率为氢原子超精细结构 0-0 跃迁频率 1.420406GHz^[3]。应用HFSS 软件仿真此标准尺寸氢原子微波腔，可得本征模为 TE₀₁₁的谐振频率为 1.4194GHz，低于氢原子超精细结构 0-0 跃迁频率 0.001GHz，误差为 0.071%，无载品质因数为79135，低于最大无载品质因数2865。谐振频率仿真值低于理论值，这是 HFSS 软件算法本身所决定的，但误差很小，由此看来，利用 HFSS 软件计算超小型氢原子频标微波腔的参数和确定电磁场模式结构是可行的。