阅读说明：本技术 一种用于金刚石nv色心微波磁场测量的微波耦合器 (Microwave coupler for measuring NV color center microwave magnetic field of diamond ) 是由 孙悦 马菁汀 齐文超 唐倩 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器,解决了微波场高密度集中问题。本发明包括微波腔体、传输波导(6)、微波馈线装配孔(4)和耦合窗口(5)。所述微波腔体包括方型筒(1)、腔体左侧盖(2)和腔体右侧盖(3)。所述的微波馈线装配孔(4)设置在方型筒(1)侧壁上的一端；所述的耦合窗口(5)设置在微波馈线装配孔(4)同一侧壁上的另一端,其位置设置在方形筒(1)微波场强最强的位置。所述传输波导(6)设置在微波腔体内,并将微波馈线装配孔(4)和耦合窗口(5)相连接。本发明实现了微波场高密度集中,为解决金刚石NV色心与微波相互作用问题提供了重要途径。(The invention discloses a microwave coupler for measuring a diamond NV color center microwave magnetic field, which solves the problem of high-density concentration of a microwave field. The microwave cavity comprises a microwave cavity body, a transmission waveguide (6), a microwave feeder line assembling hole (4) and a coupling window (5). The microwave cavity comprises a square cylinder (1), a cavity left side cover (2) and a cavity right side cover (3). The microwave feeder line assembling hole (4) is arranged at one end of the side wall of the square cylinder (1); the coupling window (5) is arranged at the other end of the same side wall of the microwave feeder line assembling hole (4), and the position of the coupling window is arranged at the position where the microwave field intensity of the square cylinder (1) is strongest. The transmission waveguide (6) is arranged in the microwave cavity and connects the microwave feeder line assembling hole (4) with the coupling window (5). The invention realizes high-density concentration of the microwave field and provides an important way for solving the problem of interaction between the NV color center of the diamond and the microwave.)

一种用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器

技术领域

本发明涉及微波磁场测量领域，具体涉及一种用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器。

背景技术

近年来，传统雷达的探测性能已经接近经典物理学极限，难以通过传统手段来提高雷达的系统性能及探测指标，无法满足日益复杂的军事需求。随着量子测量和量子调控手段的不断进步，通过引入量子技术来提高雷达的性能越来越成为科学家研究热点。目前，量子探测技术具有探测距离远、低噪声、高信噪比和距离分辨率高的特点，可以获得更多的目标特性信息。其中，以基于金刚石NV色心的量子传感器为代表的量子探测技术在微波探测领域得到了迅速发展。金刚石NV色心是金刚石晶格内的C原子被N原子替代后形成N替位再连接一个C空位组成的，是一种理想的室温下的固态量子比特，具有良好的光学特性、顺磁性以及退相干特性，在室温下可以实现状态的极化、读取与操纵，并且还能与环境实现较好的隔离从而保持较长的相干时间。

基于金刚石NV色心的微波磁场传感器可在室温下正常工作、检测范围广、保密性好、灵敏度高。在无外加磁场的情况下，金刚石NV色心的具有2.87GHz的零场分裂能，当有外加磁场时，金刚石NV色心得简并二重态将发生塞曼分裂，利用金刚石NV色心的能级受磁场的影响很大，且不同的磁场方向对能级有不同的影响。通过在外加磁场的情况下，在对金刚石NV色心施加微波场，使其能够产生拉比振荡，从而能够测量的到待测微波场的强度。因此，雷达探测需要设计一种将分散的微波场局限于一处的微波耦合器，以使金刚石NV色心与微波场进行最大程度的相互作用，实现能级间的拉比振荡。目前，在雷达探测领域还未见到基于金刚石NV色心微波磁场测量的应用。

发明内容

本发明目的是提供一种用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器，解决微波场高密度集中问题，为实现金刚石NV色心与微波相互作用提供途径。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器，采取技术方案如下：

包括微波腔体、传输波导、微波馈线装配孔和耦合窗口；

所述微波腔体包括方型筒、腔体左侧盖和腔体右侧盖；腔体左侧盖和腔体右侧盖固定并密封安装于方型筒左右两端；

所述的微波馈线装配孔设置在方型筒侧壁上的一端；所述的耦合窗口设置在微波馈线装配孔同一侧壁上的另一端，其位置设置在方形筒微波场强最强的位置；

所述传输波导设置在微波腔体内，并将微波馈线装配孔和耦合窗口相连接。

进一步的，所述传输波导的形状为矩形，其口径大小由工作频率来决定。

根据上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明利用微波馈线装配孔收集微波场强，将微弱的微波场强高密度集中于微波腔体中，为解决金刚石NV色心与微波相互作用问题提供了重要途径。

本发明具有结构简单、腔频和带宽稳定的优点，适用于基于金刚石NV色心微波磁场测量，在雷达探测、航空探潜、飞机发动机零部件精密无损检测等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明用于金刚石NV色心的微波磁场测量的微波耦合器的俯视图；

图2是本发明用于金刚石NV色心的微波磁场测量的微波耦合器的AA剖面示意图。

图中：

1、方型筒

2、腔体左侧盖

3、腔体右侧盖

4、微波馈线装配孔

5、耦合窗口

6、传输波导

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明用于金刚石NV色心微波磁场测量的微波耦合器，其构成包括微波腔体、传输波导6、微波馈线装配孔4和耦合窗口5构成，如图1和图2所示。

所述微波腔体包括方型筒1、腔体左侧盖2和腔体右侧盖3，腔体左侧盖2和腔体右侧盖3固定并密封安装于方型筒1左右两端构成微波腔体。所述微波腔体采用铝合金、铜等金属材料切割加工，保证微波场的高效传输。

所述的微波馈线装配孔4设置在方型筒1侧壁上的一端，可用于连接喇叭天线馈入微波场。所述的耦合窗口5为弧面矩形等形状，设置在微波馈线装配孔4同一侧壁上的另一端，其位置设置在方形筒1微波场强最强的位置。通过专业电磁场仿真软件HFSS仿真，得到电磁场场强分布，选取场强最强的位置设置微波耦合窗口5。

所述传输波导6设置在微波腔体内，并将微波馈线装配孔4和耦合窗口5相连接。传输波导6的形状为矩形，其口径大小由工作频率来决定，满足如下关系式：

a<λ<2a，λ>2b，其中，a，b为横截面尺寸，λ为工作波长。

本发明工作原理如下：微波能量通过设置在腔体的微波馈线装配孔4的同轴电缆馈入传输波导6，微波传输到微波耦合窗口5与金刚石NV色心进行耦合相互作用。

实施例

本实施例是根据工作频率f₀＝3GHz而设计的尺寸，为了尽可能提高耦合器的耦合效率，采用铝合金作为制造材料。腔体方型筒1的长为300mm，壁厚为6mm。传输波导6的形状为矩形，其口径为76mm×30mm。腔体左侧盖2与腔体右侧盖3均与腔体方型筒1焊死，并应保证焊接质量。微波馈线装配孔4的形状为圆形，其直径为10mm，厚度为6mm，保证微波馈线装配孔4与传输波导(6)相连接。耦合窗口5的形状为弧面矩形，其尺寸为30mm×2mm，在腔体中间位置，厚度为6mm，保证耦合窗口5与传输波导6相连接。

通过HFSS仿真得到耦合窗口5的微波场强可达0.09A/m。

综上所述，本发明具有结构简单、腔频和带宽稳定的优点，解决了室温下基于金刚石NV色心传感器与微波场相互作用的关键技术。