CN117728137A - 气室和分子时钟 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种气室和分子时钟，涉及电磁波传导领域。该气室包括：波导通路和波导口；所述波导通路配置为通过电磁波，并为所述电磁波和目标气体提供作用场所；所述波导通路在所述电磁波传输方向上存在弯折，所述波导通路沿所述电磁波传输方向上的横截面为相似的几何形状；所述波导口垂直于所述波导通路所在平面设置，并通过至少一个台阶连接所述波导通路的端部。本申请实施例提供的气室兼具良好的电磁波/电信号传输特性和较小的体积，在性能和应用场景上都具有显著的优势。
Description
技术领域
本申请涉及电磁波传导领域，具体而言，涉及一种气室和分子时钟。
背景技术
高精度时钟是一种能够提供精确的、稳定的时间测量的设备，广泛应用于对时间精度要求高的科学研究、全球定位***（GPS）等导航***、通信***、金融交易以及科学实验等等领域。
目前，高精度时钟主要包括原子时钟和分子时钟，原子钟利用了电磁辐射与特定原子的激发态的相互作用来实现时间测量，通过激光穿透玻璃气室产生的吸收峰作为频率参考。而分子时钟利用的是极性气体分子在电磁场作用下量子化的旋转能级跃迁产生的电磁波分子旋转波谱来实现时间测量，分子时钟通过高频电磁波在气室中穿透极性气体的旋转波谱峰作为频率参考。
由于分子时钟在原理上与原子时钟和其他现有的高精度时钟存在差异，且分子时钟产生时钟信号的过程中使用了高频电磁波；因此，现有的高精度时钟的气室不再适用于分子时钟。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种气室和分子时钟，电磁波通过垂直入射气室的波导口，在水平面内（电磁波传输平面）的波导通路中进行传播；在波导通路中通过倒角实现通路的弯折，通过台阶将垂直于波导通路的波导口和该波导通路进行连接，在保证电磁波传输路径足够长的同时，实现了电磁波的高质量传输。将本申请实施例提供的气室应用于分子时钟，能为高频电磁波和极性气体分子提供作用空间，由于气室的针对性设计（例如，针对具体应用场景体积的设计），高频电磁波的传输损耗较小，为高精度时钟的准确性和稳定性做出了贡献。
第一方面，本申请实施例提供一种气室，该气室包括：波导通路和波导口；所述波导通路配置为通过电磁波，并为所述电磁波和目标气体提供作用场所；所述波导通路在所述电磁波传输方向上存在弯折，所述波导通路沿所述电磁波传输方向上的横截面为相似的几何形状；所述波导口垂直于所述波导通路所在平面设置，并通过至少一个台阶连接所述波导通路的端部。
在上述实现过程中，本申请实施例提供的气室包括波导通路和波导口，波导口垂直于波导通路所在的平面（例如，水平面或气室的安装平面）设置，电磁波信号通过波导口垂直进入气室，在波导通路中进行水平传播；波导口和波导通路之间设置了至少一个台阶，台阶的设置使垂直的波导口和水平的波导通路之间有良好的过度匹配，保证了电磁波的传输质量。因此，本申请实施例提供的气室兼具良好的电磁波/电信号传输特性和较小的体积，在性能和应用场景上都具有显著的优势。
可选地，在本申请实施例中，所述弯折包括倒角；其中，所述倒角包括弧形倒角或直倒角。
可选地，在本申请实施例中，所述倒角根据以下方法确定：将预设倒角的所在的波导通路作为双端口网络，改变所述预设倒角的角度，并获取多组所述双端口网络两端的入射波和出射波；根据所述双端口网络两端的入射波和出射波，计算目标电磁波通过所述双端口网络的传输损耗；获取数值最小的所述传输损耗对应的倒角的角度，作为所述倒角的目标角度。
在上述实现过程中，本申请实施例提供的气室的波导通路在电磁波传输平面包括弯折，每个弯折可以由倒角组成，根据电磁波传输的特征参数（如S参数）评估电磁波在波导通路中的传输效果，从而确定出弯折处倒角的角度和个数；也就是说，由于弯折处倒角的设置，本申请实施例提供的气室的波导通路在电磁波传输平面能够在占用较小体积的同时，保证电磁波在波导通路中的传输路径尽可能的长，波导通路的传输损耗尽可能的小、传输效果尽可能的好。
可选地，在本申请实施例中，存在弯折的所述波导通路包括：由多个所述弯折连接形成折叠形波导通路；所述折叠形波导通路在电磁波传输平面内存在多个平行的子传输通路。
在上述实现过程中，本申请实施例提供的气室的波导通路包括多个弯折，这些弯折将多个子传输通路连接形成波导折叠形的波导通路，由于弯折处的倒角的角度、倒角的形状和倒角的个数的针对性设计（例如，针对具体应用场景体积的设计），在保证电磁波在折叠形波导通路中传输的传输效果较佳的同时，缩小了整体波导通路的体积。
可选地，在本申请实施例中，存在弯折的所述波导通路还包括：由通过连接部连接的不同平面的多个所述折叠形波导通路形成的立体折叠形波导通路。
在上述实现过程中，本申请实施例提供的气室的波导通路还可以设置为立体状，如将上文中的折叠形波导通路通过连接部进行连接，或者将波导通路设置为螺旋状；从而使本申请实施例提供的气室能够适用于平面内空间有限的场景，将波导通路设置为立体的，在适应有限的平面空间的同时，还能够保证电磁波具有足够长的传输路径，使电磁波和极性气体分子充分作用。
可选地，在本申请实施例中，所述相似的几何形状包括矩形；所述矩形的尺寸设计包括：以待通过所述波导通路的目标电磁波在所述波导通路中实现单模传输，且工作频带最宽为条件，根据所述目标电磁波的波长，计算所述矩形的长边范围和短边范围；从所述长边范围和短边范围中，确定出所述目标电磁波在所述波导通路中S参数的最优值对应的目标长边和目标短边；其中，所述S参数用于评价电磁波在所述波导通路中的传输效果。
在上述实现过程中，本申请实施例中气室的波导传输通道横截面可以是矩形横截面，对于矩形横截面参数的设计需要使电磁波在波导通路内实现单模传输，以及电磁波在波导传输通路中的工作频带最宽。在保证矩形参数能够满足要求的情况下，再次使用S参数选择出S参数最优的长边和短边，最终使电磁波在波导通路中的传输能够减小色散效应、提高带宽以及降低信号失真，保证了信号的传输质量和长期传输稳定性。
可选地，在本申请实施例中，所述台阶的尺寸设计包括：获取所述目标电磁波在所述波导通路中的上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长；根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算所述台阶在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度；将所述台阶的长度带入所述台阶的预设等效阻抗中，确定所述台阶在垂直于所述电磁波传输平面方向上的台阶高度。
可选地，在本申请实施例中，所述根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算所述台阶在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度，包括：根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算中心频率对应的波导波长；基于所述中心频率对应的波导波长，以公式，计算所述台阶长度L；其中，/>为所述中心频率对应的波导波长，/>为所述上边缘频率对应的波导波长，/>为所述下边缘频率对应的波导波长。
在上述实现过程中，通过分段式阶梯阻抗变换的方法，计算台阶的长度和高度能够减小信号在波导通路上的反射，提高信号传输的效率；由于台阶的设置使垂直的波导口和水平的波导通路之间有良好的过渡和匹配，从而保证电磁波的良好传输。
可选地，在本申请实施例中，所述气室包括气孔，所述气孔配置为通过所述目标气体，以实现对所述气室抽出目标气体或灌注目标气体。
在上述实现过程中，本申请提供的气室还包括气孔，通过气孔的设置可以实现对目标气体抽出、灌注和抽真空等操作，从而实现了对气室内气体环境的调控。
第二方面，本申请实施例提供一种分子时钟，所述分子时钟包括如本申请第一方面中任一项所述的气室。
总的来说，本申请实施例的有益效果为：该气室包括波导通路和垂直于波导通路的波导口，能够对高频电磁波产生约束，使高频电磁波谱在气室传输的传输损耗减小；另一方面，该气室具有极强的密封性能，能够才万分之一大气压下保持长期稳定性；且该气室能够满足分子气体物理特性，不会引起气室内的极性气体分子的性质发生变化。将该气室应用于分子时钟，为分子时钟频率参考信号的产生提供了可靠的物理场所，能够提高分子时钟产生的时钟信号的精确性和长期稳定性。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的气室的结构第一示意图；
图2为本申请实施例提供的图1中A处的放大图；
图3为本申请实施例提供的倒角设计的流程图；
图4为本申请实施例提供的模拟双端口网络的示意图；
图5为本申请实施例提供的倒角仿真的示例图；
图6为本申请实施例提供的一种折叠波导通路的气室结构示意图；
图7为本申请实施例提供的又一种折叠波导通路的气室结构示意图；
图8为本申请实施例提供的圆形状的折叠波导通路的示意图；
图9为本申请实施例提供的一种立体折叠形波导通路的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的螺旋状的波导通路的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的波导通路横截面尺寸的设计流程图；
图12为本申请实施例提供的矩形截面的示意图；
图13为本申请实施例提供的一级台阶的结构示意图；
图14为本申请实施例提供的二级台阶的结构示意图；
图15为本申请实施例提供的台阶尺寸的设计流程图；
图16为阶梯阻抗变换的频率特性曲线；
图17为本申请实施例提供的台阶长度的计算流程图；
图18为本申请实施例提供的波导口一级台阶仿真曲线示意图；
图19为本申请实施例提供的波导口二级台阶仿真曲线示意图；
图20为本申请实施例提供的图波导口三级台阶仿真曲线示意图；
图21为本申请实施例提供的气室加工示意图；
图22为本申请实施例提供的气室的气孔示意图；
图23为本申请实施例提供的波导口和台阶的加工示意图；
图24为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图；
图标：气室-100；波导通路-110；弯折-M；倒角-D；波导口-120；台阶-130；折叠形波导通路-111；立体折叠形波导通路-112；连接部-N；台阶长度-L；台阶高度-H。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
时钟是指电子***的协同工作提供时间或频率参考的核心基础器件，在微型定位、导航、授时等***中是不可或缺的组成部分，对于***的准确性、稳定性和性能都起着关键作用。
目前，电子***中的时钟信号可以由石英晶体振荡器、电子振荡器、原子时钟或分子时钟等不同类型的时钟源进行提供；其中，原子时钟需要能够被激光穿透的气室。
适用于原子时钟的气室主要有玻璃气室和基于MEMS原子气室。
对于玻璃气室而言，原子时钟通过激光穿透玻璃气室中的金属元素产生的吸收峰作为时钟的频率参考，由于激光的方向性较强，穿透玻璃气室可以发生的散射较小。而在分子时钟中，使用的是高频电磁波信号（例如，太赫兹波，即电磁波谱中太赫兹频段的电磁波）和极性气体分子在气室中相互作用，将高频电磁波信号穿透极性气体分子的旋转波谱作为频率参考。由于高频电磁波相较于激光而言扩散性较强，若继续使用玻璃气室会导致穿透玻璃气室之后高频电磁波发生较大散射，信号质量大幅降低；因此，玻璃气室不适用于分子时钟。
MEMS原子气室，是基于MEMS工艺制成的“玻璃-硅-玻璃”三明治气室结构，MEMS原子气室包括反应腔和光学作用腔，两腔体之间通过“梳齿式”的微通道连接；反应腔中填充有原子释放剂，生成频率参考信号的过程中，反应腔中生成金属元素，金属元素和激光在光学作用腔中反应，激光穿透光学作用腔中的金属元素产生的吸收峰作为时钟的频率参考，光学作用腔中填充反应生成的铷碱金属单质。也就是说，MEMS原子气室也不适用于分子时钟。
气室本质是一个密闭的空间，能够将气室中的气体进行密封，对密封性要求较高；而针对分子时钟的气室是既能够将气体进行密封，又能使电磁波在其中进行高质量传播的封闭空间。也就是说，本申请提供的气室是电磁波波导和气室的结合体。
发明人研究发现，在此过程中，原子时钟的气室或其他高精度时钟的气室适用于激光穿透，且原子时钟和分子时钟的气体种类、物理特性不同，原子时钟的气室或其他高精度时钟的气室无法适用于分子时钟。
基于此，本申请提出一种气室和分子时钟，该气室包括波导通路和波导口，高频电磁波通过该波导口垂直于波导通路（电磁波传输平面）进入气室，在波导通路中高质量传播；该气室的波导通路在电磁波传输的方向上存在弯折，在保证高频电磁波信号和极性气体分子充分作用的同时，实现了分子时钟气室的小型化，适应了分子时钟整体小型化的趋势。
请参看图1，图1为本申请实施例提供的气室的结构第一示意图；本申请提供一种气室，该气室100包括波导通路110和波导口120。
波导通路110配置为通过电磁波，并为电磁波和目标气体提供作用场所。
需要说明的是，分子是时钟中使用的电磁波通常为高频电磁波，例如太赫兹波（Terahertz wave），太赫兹（THz）频段的电磁波。其频率位于微波和红外光之间，通常在100GHz到10THz之间。与高频电磁波作用的目标气体一般为极性气体分子，极性气体分子通常具有非对称电子分布，导致分子呈现正负极性，如硫化羰分子、氨气分子等。
极性气体分子具有固有的电/磁偶极矩，使得分子在交变电磁场的作用下旋转，并具有量子化的旋转能级。极性气体分子可以通过吸收对应的微波光子实现能级跃迁，在宏观探测上表现为周期性的高品质因子（Quality factor, Q）旋转谱线，可以实现对复杂组分气体的无模糊分辨（即绝对分辨力）；因此，太赫兹分子旋转波谱是分子结构的指纹，可以以太赫兹波穿透极性气体的旋转波谱峰作为频率参考。
而本申请实施例提供的气室100，则是为高频电磁波信号和极性气体分提供作用的场所。一方面，该气室100需要能够将高频电磁波约束于气室100内，在传播的过程中，需要最大程度避免其散射或损失；另一方面，该气室100需要有良好的气密性和刚性抗压能力。
波导通路110在电磁波传输方向上存在弯折M，波导通路110沿电磁波传输方向上的横截面为相似的几何形状。
波导通路110在电磁波传输的方向上存在弯折M，并且波导通路110在电磁波传输方向上的横截面为相似的几何形状；相似的几何形状，示例性地，若气室100的波导通路110在电磁波传输方向上的横截面为矩形，那么在整个电磁波传输方向上的横截面都为矩形，但矩形的参数可以存在差异。在一些实施例中，波导通路110在电磁波的传输方向上的横截面也可以为圆形或其他形状。
需要说明的是，在一些实施例中波导通路110在电磁波传输方向上也可以不存在弯折M，如整个波导通路110的外形呈柱状体；本申请实施例中，优选在电磁波的传输方向上设置弯折M，以形成形状多样的气室100结构，例如，蛇形、“s”形、螺旋形等；通过弯折M的设计不但能够使电磁波和极性分子气体充分作用，还能够减小气室100所占空间，以适应更多的应用场景。
波导口120垂直于波导通路110所在平面设置，并通过至少一个台阶130连接波导通路110的端部。
气室100的波导口120垂直与波导通路110所在的平面，即电磁波传输平面（通常为水平面）；为了使电磁波和极性分子气体在气室100中充分作用，在本申请实施例中，电磁波信号进入气室100方式为“垂直进入，水平传播”，也就说是，电磁波信号通过波导口120垂直进入气室100中，通过波导通路110实现在电磁波传输平面的水平传播。在电磁波小信号“垂直进入，水平传播”的过程中，为了降低电磁波信号的传输损失，在波导口120和波导通路110之间设置了台阶130，使用台阶130将二者连接，使电磁波信号从波导口120传输到波导通路110的过程中的传输损耗尽可能的减小，保证了电磁波信号在气室100中的传输质量。
在分子时钟中，通常存在两个波导口120，分别用于输入电磁波信号和输出电磁波信号。
通过图1可知，本申请实施例提供的气室100包括波导通路110和波导口120，波导口120垂直于波导通路110所在的平面（例如，水平面或气室的安装平面）设置，电磁波信号通过波导口120垂直进入气室100，在波导通路110中进行水平传播；波导口120和波导通路110之间设置了至少一个台阶130，台阶130的设置使垂直的波导口120和水平的波导通路110之间有良好的过度匹配，保证了电磁波的传输质量。因此，本申请实施例提供的气室100兼具良好的电磁波/电信号传输特性和较小的体积，在性能和应用场景上都具有显著的优势。
请参看图2，图2为本申请实施例提供的图1中A处的放大图；本申请实施例中波导通路110包括弯折M，弯折M的个数可以根据实际需求进行设置，通常情况下，弯折M可以通过对波导通路110设置倒角D实现。
如图2所示，图1中的A处包括了两个弯折M，每一处弯折M都能实现波导通路100的方向的改变，即能够改变电磁波在电磁波传输平面内的传输方向。图2中每一处弯折M都包括了两个倒角D，图2中的倒角D均为直倒角。
本申请实施例中的弯折M可以是弧形倒角D或者是直倒角D，考虑加工的方便性，当一个弯折M需要两个或两个以上的倒角D组合形成的情况下，本申请实施例选择直倒角D进行组合。
请在图2的基础上参看图3，图3为本申请实施例提供的倒角D设计的流程图；该倒角D的设计流程包括以下步骤：
步骤S110：将预设倒角的所在的波导通路作为双端口网络，改变预设倒角的角度，并获取多组双端口网络两端的入射波和出射波。
在上述步骤S110中，对于一弯折处，首先设置一个预设倒角将弯折两端进行连接，进一步地，请结合参看图4，图4为本申请实施例提供的模拟双端口网络的示意图；将弯折两端阶段的波导通路部分看作一个双端口网络，对于如图4所示的双端口网络，可以多次改变预设倒角的角度，从而得到多组双端口网络的入射波和出射波。如图4所示，入射波a1经过端口1发生散射和传输，入射波a2经过端口2发生传输和散射，得到端口1的反射波a2和端口2的反射波b2。
步骤S120：根据双端口网络两端的入射波和出射波，计算目标电磁波通过双端口网络的传输损耗。
在上述步骤S120中，根据双端网络两端的入射波和出射波计算被看作二端口网络部分的电磁波通路的传输损耗；在二端口网络中，电磁波的传损耗（Transmission Loss）是指电磁波从输入端口传输到输出端口时所损失的能量或功率；传损耗可以通过电路分析中的各种参数来描述，其中一种常见的参数是S参数（散射参数）。
如图4所示的双端口网络中的S参数包括反射系数S11（端口1输入信号反射到端口1）、传输系数S12（信号从端口2传输到端口1）、传输系数S21（信号从端口1传输到端口2）和反射系数S22（端口2输入信号反射到端口2），其计算公式分别为：S11=b1/a1、S12=b2/a1、S21=b1/a2、S22=b2/a2，在本申请实施例中通过上述的S参数，能够体现电磁波通过被看作二端口网络部分的电磁波通路过程中的反射、传输和散射等特性，基于S参数能够计算出传输损耗，反映电磁波的传输效果。
在S参数中，传输损耗可以由S21参数表示，即从端口1输入的信号到达端口2的损耗。具体地，如果不考虑电磁辐射和耦合等损耗，那么互连的能量就等于反射能量与传输能量之和，公式表示为1= 2+/> 2；进一步地，对于给定的回波损耗，电磁波传输损耗为：。
步骤S130：获取数值最小的传输损耗对应的倒角的角度，作为倒角的目标角度。
在上述步骤S130中，基于上述步骤S120获取的多个目标电磁波通过双端口网络的传输损耗，确定出数值最小的传输损耗对应的倒角的角度，作为该弯折处倒角的角度值。
在一可选的实施例中，由于传输损耗能够表征电磁波在双端口网络中的传输效果，因此，也可以通过限定S参数的最佳范围，确定倒角的角度值。示例性地，利用仿真软件HFSS（High-Frequency Structure Simulator）进行仿真，在HFSS里设置S参数的仿真优化目标：S11≤-25dB，S21≥-0.1dB，仿真软件根据优化目标调节倒角的角度，使得仿真结果满足仿真目标，请结合参看图5，图5为本申请实施例提供的倒角仿真的示例图；图5中包括示例性的角度对应的仿真结果，图5的横轴为电磁波的频率，图5的纵轴为倒角D角度。图5中蓝色曲线表示倒角D度为29°时的S11参数，红色曲线表示倒角D角度为26°时的S11参数，绿色曲线表示倒角D角度为27°时的S11参数；优化的最终目是使电磁波的传输路径尽可能的长，波导通路110的传输损耗尽可能的小，回波损耗尽可能大，通过图5可知，倒角D角度控制在26°至27°之间电磁波的传输效果较佳。
在一些实施例中，一个弯折M可以包括两个或两个以上的倒角D，关于一个弯折M包括倒角D的个数也可以通过S参数的表现来进行确定，如图2所示，本申请实施例在一个弯折M处设置了两个倒角D，以保证电磁波在弯折M处的传输效果最佳。
通过图2至图5可知，本申请实施例提供的气室100的波导通路110在电磁波传输平面包括弯折M，每个弯折M可以由倒角D组成，根据电磁波传输的特征参数（如S参数）评估电磁波在波导通路110中的传输效果，从而确定出弯折M处倒角D的角度和个数；也就是说，由于弯折M处倒角D的设置，本申请实施例提供的气室100的波导通路110在电磁波传输平面能够在占用较小体积的同时，保证电磁波在波导通路110中的传输路径尽可能的长，传输效果尽可能的好。
请参看图6和图7，图6为本申请实施例提供的一种折叠波导通路的气室结构示意图；图7为本申请实施例提供的又一种折叠波导通路的气室结构示意图；在本申请实施例中，存在弯折M的波导通路110包括：由多个弯折M连接形成折叠形波导通路111。
折叠形波导通路111在电磁波传输平面内存在多个平行传输通路。
基于弯折M处倒角D的设计，可以在保证电磁波在电磁波传输平面内良好的传输效果的前提下，在电磁波传输平面内设置多个弯折M，实现气室100的小型化。
如图6和图7所示，波导通路110在整个电磁波传输平面内存在多个弯折M，波导通路110弯折M后在波导传输平面形成多个子传输通路，这些子传输通路构成了折叠形的波导通路110。如图6所示，两个波导口120位于同一直线上，左侧和右侧的波导通路走向一致并且对称。如图7所示，图7的折叠形也称作“s”形或“几”形，在图7中两个波导口也位于同一直线上。
优选地，波导传输通路可以设置为周对称或者中心对称。
需要说明的是，图6和图7只是折叠形波导通路111的两种示例，波导通路110在电磁波传输平面内通过弯折M形成的折叠形波导通路111可以是其他形式的，例如矩形、圆形、梯形等。示例性地，请参看图8，图8为本申请实施例提供的圆形状的折叠形波导通路的示意图；圆心处和圆周末端为波导口120，波导口120垂直于整个波导传输平面，在圆形状的折叠波导通路110中倒角D为圆弧形的倒角D，倒角D的设计参考前文，在此不再赘述。
在一些实施例中，多个折叠的子传输通路可以是存在平行的，只需要适应性的调整每个弯折M中倒角D的角度以及倒角D的个数即可。
通过图6至图8可知，本申请实施例提供的气室100的波导通路110包括多个弯折M，这些弯折M将多个子传输通路连接形成波导折叠形的波导通路110，由于弯折M处的倒角D的角度、倒角D的形状和倒角D的个数的针对性设计（例如，针对具体应用场景体积的设计），在保证电磁波在折叠形波导通路111中传输的传输效果较佳的同时，缩小了整体波导通路110的体积。
请参看图9，图9为本申请实施例提供的一种立体折叠形波导通路112的结构示意图；存在弯折M的波导通路110还包括：由通过连接部N连接的不同平面的多个折叠形波导通路111形成的立体折叠形波导通路112。
也就是说，本申请实施例提供的波导通路110还可以是将多个图6、图7、图8中或类似的折叠形波导通路111进行连接，多个折叠形波导通路111连接后每个折叠形波导通路111存在于不同的平面，所有折叠形波导通路111相互平行，形成立体折叠形波导通路112。
作为一个示例，图9为通过矩形状的折叠形波导通路111连接而成的立体折叠波导通路112。图9中，不同平面内的折叠形波导通路111为矩形状，电磁波进入气室的波导口120和电磁波输出气室的波导口120分别垂直于第一个折叠形波导通路111和最后一个折叠形波导通路111；中间的相邻平面的折叠形波导通路111通过垂直于平面的连接部N连接，形成立体的波导通路。电磁波在两个相邻的平面之间进行传输的过程中，存在由水平传导变成垂直传导，再由垂直传导变为水平传导的变化。因此，考虑电磁波的传输质量，可以在两个相邻的平面之间的连接部N中设置如上文描述中的台阶130，将两个相邻平面进行连接。
请参看图10，图10为本申请实施例提供的螺旋状的波导通路的结构示意图；在一些实施例中，立体折叠形波导通路112也可将波导路设置为如图10所示的螺旋状，电磁波在波导通路110内螺旋传播；在图10中，波导通路110为螺旋状，波导口120分别是螺旋体的两个末端，波导口120垂直于波导传输通路110设置。有在一些场景中平面的面积可能受限，可以采用如图10所示的螺旋状的波导通路110，能够在有限的空间中保证电磁波具有足够长的传播路径。
通过图9至图10可知，本申请实施例提供的气室100的波导通路110还可以设置为立体状，如将上文中的折叠形波导通路111通过连接部N进行连接，或者将波导通路110设置为螺旋状；从而使本申请实施例提供的气室100能够适用于平面内空间有限的场景，将波导通路110设置为立体的，在适应有限的平面空间的同时，还能够保证电磁波具有足够长的传输路径。
请在图1的基础上参看图11，图11为本申请实施例提供的波导通路110横截面尺寸的设计流程图；本申请实施例提供的气室100的横截面相似的几何形状包括矩形。
矩形的尺寸设计包括以下步骤：
步骤S210：以待通过波导通路110的目标电磁波在波导通路110中实现单模传输，且工作频带最宽为条件，根据目标电磁波的波长，计算矩形的长边范围和短边范围。
步骤S220：从长边范围和短边范围中，确定出目标电磁波在波导通路110中S参数的最优值对应的目标长边和目标短边。
在上述步骤S210-S220中，在设计矩形的尺寸的过程中，需要电磁波在波导通路110内的传输满足两个条件，一个是电磁波在波导通路110内实现单模传输，另一个是电磁波在波导传输通路中的工作频带最宽。
需要说明的是，对于确定频率的电磁波，适当选择波导尺寸使高次模截止，只传输主模，叫做单模传输。单模传输对于高频信号而言具有较好的传输效果，本申请实施例中考虑单模传输以及工作频带最宽的原因在于希望电磁波在波导通路中的传输能够减小色散效应、提高带宽以及降低信号失真，保证了信号的传输质量和长期传输稳定性。
请在图1和图11的基础上参看图12，图12为本申请实施例提供的矩形截面的示意图；如图12所示，假设一个均匀的矩形波导，截面尺寸为a×b（a＞b，a为长边，b为短边）。
由于电磁波在矩形波导中的传输条件为：λ＜λc，λ为电磁波工作波长，λc为电池截止波长，即：，等价于m2x2+n2y2＜4；其中/>，/>（显然，x＞0，y＞0）。
进一步地，由关系式λf=c（c为光速），得f=c/ax，由此可知单模传输时x的范围越大，工作频带越宽，工作频带最宽需满足a/b＞2，此时1＜x＜2，由式f=c/ax得频率范围是c/2a＜f＜c/a；因此，为使矩形波导单模传输且工作频带最宽，截面尺寸需满足λ/2＜a＜λ，b＜λ/2，a/b＞2。
以分子时钟为例，在一个实施例中，电磁波的中心频率确定为230GHz，由公式λf=c计算得λ=1.3mm；进一步地，截面尺寸设计范围是：0.65mm＜a＜1.3mm，b＜0.65mm，a/b＞2。
进一步地，在确定长边a的范围和短边b的范围之后，可以在范围中取a和b的值，计算不同的S参数，由于S参数可以用于评价电磁波在波导通路110中的传输效果，因此可以选择S参数的最优值对应的目标长边和目标短边，作为矩形截面的参数。
通过图11和图12可知，本申请实施例中气室100的波导传输通道横截面可以是矩形横截面，对于矩形横截面参数的设计需要使电磁波在波导通路110内实现单模传输，以及电磁波在波导传输通路中的工作频带最宽。在保证矩形参数能够满足要求的情况下，再次选择出S参数最优的长边和短边，最终使电磁波在波导通路110中的传输能够减小色散效应、提高带宽以及降低信号失真，保证了信号的传输质量和长期传输稳定性。
请参看图13和图14，图13为本申请实施例提供的一级台阶的结构示意图；图14为本申请实施例提供的二级台阶的结构示意图；在本申请实施例中波导口120和波导通路110之间通过至少一个台阶130相连接，在实际应用中台阶130的个数除去如图13中的1个台阶130和图14中的2个台阶130，还可以包括更多阶的台阶130，控制台阶130个数在电磁波传输效果较佳范围内即可。
请在图13和图14的基础上参看图15，图15为本申请实施例提供的台阶尺寸的设计流程图；台阶的尺寸设计可以通过以下步骤实现：
步骤S310：获取目标电磁波在波导通路中的上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长。
在上述步骤S310中，由于本申请实施例提供的气室100采用垂直进出、水平传播的形式进行电磁波的传输，因此需要设计台阶130使垂直的波导口120和水平的波导通路110之间有良好的过渡和匹配，从而保证电磁波的良好传输。由于是通过阶梯进行连接，则可以使用分段式阶梯阻抗变换的方式来实现垂直的波导口120和水平的波导通路110之间有良好的过渡和匹配。
需要说明的是，分段式阶梯阻抗变换是一种阻抗变换方式，其中阻抗的变化不是连续的，而是通过一系列分段的阻抗变换来实现，通过将整个变换过程分解为多个段落，可以更好地适应复杂的设计要求。
由于阻抗匹配的目标是最大限度地减小反射，使得波导的输入和输出之间的阻抗匹配，以最大程度地传输信号而不发生反射损失；因此，可以使用反射系数来描述阻抗匹配的效果，反射系数越小表示阻抗匹配的效果越好，而反射系数可以通过公式/>进行计算，其中，/>为特性阻抗，/>为波阻抗。基于阶梯式组抗变换和特性频率之间的关系，需要确定电磁波在波导通路110中的上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长。
请结合参看图16，图16为阶梯阻抗变换的频率特性曲线；图16中，横轴为工作频率，纵轴为对应的反射系数Γ；为电磁波工作波长，/>为上边缘频率对应的波导波长，为下边缘频率对应的波导波长，/>为中心频率对应的波导波长。通过图6可以看出频率在/>和/>之间的反射系数表现较好，因此，需要电磁波波长在上边缘频率对应的波导波长/>和下边缘频率对应的波导波长/>之间最佳。
步骤S320：根据上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算台阶在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度L。
在上述步骤S320中，根据上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长/>计算台阶130的长度。
需要说明的是，在求取台阶130的参数的过程中，需要求取台阶长度L和台阶高度H，台阶长度L和台阶高度H请参看图13或图14，台阶长度L为在平行于电磁波传输平面方向上的长度，台阶130的高度为垂直于电磁波传输平面方向上的高度。
步骤S330：将台阶的长度带入台阶的预设等效阻抗中，确定台阶在垂直于电磁波传输平面方向上的台阶高度H。
在上述步骤S330中，由于波导在阶梯变换处会发生局部反射，因此不能用传统阻抗来处理阶梯波导的匹配问题，一般采用功率-电流形式定义的等效阻抗来进行计算，预设等效阻抗，其中，/>为自由空间波阻抗。
通常情况下预设等效阻抗取值为50欧姆，将上述步骤S320中确定的台阶长度L带入预设等效阻抗/>中，能够得到台阶高度H。
请参看图17，图17为本申请实施例提供的台阶长度的计算流程图；在一可选的实施例中，上述步骤S320根据上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算台阶130在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度L，可以通过以下步骤实现：
步骤S321：根据上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算中心频率对应的波导波长。
步骤S322：基于中心频率对应的波导波长，以公式，计算台阶长度L。
其中，为中心频率对应的波导波长，/>为上边缘频率对应的波导波长，/>为下边缘频率对应的波导波长。/>
在上述步骤S321-S322中，根据上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长/>，通过公式/>能够计算出工作频带对应的相对带宽；进一步地，通过公式：/>，计算中心频率对应的波导波长/>。因此，台阶长度L。
通过图15至图16提供的方法能够将台阶130的参数计算出来，通过分段式阶梯阻抗变换的方法，计算台阶130的长度L和高度H能够减小信号在波导通路110上的反射，提高信号传输的效率；由于台阶130的设置使垂直的波导口120和水平的波导通路110之间有良好的过渡和匹配，从而保证电磁波的良好传输。
针对台阶130的个数，可以逐步增加台阶130个数，使用仿真软件计算电磁波在波导通路110中的传输效果对应的S参数。请在图13和图14的基础上继续参看图18至图20；图18为本申请实施例提供的波导口一级台阶仿真曲线示意图；图19为本申请实施例提供的波导口二级台阶仿真曲线示意图；图20为本申请实施例提供的图波导口三级台阶仿真曲线示意图。图18至图20中横轴为电磁波频率，纵坐轴为S参数的数值；红色曲线为S11参数的变化趋势，绿色曲线为S21参数的变化趋势。
根据图18至图20的仿真结果可以看出，波导口120为一级台阶130时，S21参数仿真值在频率238GHz时为-1.252dB，S11参数仿真值整体小于-5dB。波导口120为二级台阶130时，S21参数的仿真值在频率238GHz时为-0.0287dB，S11参数的仿真值整体小于-20dB。波导口120为三级台阶130时，S21参数的仿真值在频率238GHz时为-0.0193dB，S11参数的仿真值整体小于-19dB。
综合图18至图20所示，波导口为一级台阶设计和二级台阶设计相比，二级台阶的信号传输损耗更低，驻波比更好。三级台阶指标相比二级台阶指标有一定的优化，但是优化的幅度不高，考虑到加工难度等因素，在实际应用中通常选择如图14所示的二阶台阶结构。
在一可选的实施例中，气室100还包括气孔，气孔用于通过将要与电磁波作用的目标气体，针对分子时钟，通常是通过极性气体分子，例如硫化羰分子等。通过设置气孔可以实现将极性气体分子抽出气室100，或者将极性气体分子灌注入气室100内，或通过该气孔对气室100进行抽真空。
气孔的位置可以设置在波导通路110的任意位置（如图1中心位置的柱状，即为图1所示的气室的气孔）。
需要说明的是，气孔的个数可以根据实际情况进行调整，气孔个数增多能够增加气体抽出或者气体灌注或者抽真空的效率，但是也会伴随着密封性问题；因此，在实际应用中，气孔的个数应当兼顾作业效率和密封性考虑进行设置。
由此可知，本申请提供的气室100还包括气孔，通过气孔的设置可以实现对目标气体抽出、灌注和抽真空等操作，从而实现了对气室100内气体环境的调控。
对于前文提到的MEMS原子气室，其采用“玻璃-硅-玻璃”构成三明治结构。MEMS原子气室，即基于MEMS工艺制作的原子气室，其制作的关键工艺是如何将碱金属在真空环境下填充进反应腔室中。以铷（Rb）原子钟为例，实验中，为避免碱金属Rb元素在高温阳极键合过程中容易气化的问题，利用Ｒb释放剂提前将铷化合物和还原剂封装在反应腔中，采用先阳极键合实现气室结构封装，再光学分解Ｒb释放剂在高温条件下发生化学反应生成碱金属气体的方式来实现原子气室的制备。对于碱金属原子气室的制备工艺包括对Si晶圆的微加工工艺光刻刻蚀、缓冲气体以及碱金属药品的填充、封装键合与激发等步骤。对于MEMS原子气室的加工工艺相对较为复杂，并且光分解Ｒb释放剂的化学反应也存在温度和其他环境参数的要求，对于MEMS原子气室的可控性较差。
本申请实施例还提供一种气室的加工方法，请结合参看图21，图21为本申请实施例提供的气室加工示意图；该气室的加工方法适用于上述的气室。
该气室加工方法包括以下步骤：
步骤S1：对硅（Si）第一表面进行热氧化处理，生成二氧化硅（SiO2）层。二氧化硅（SiO2）层的生成可通过将硅暴露在氧气环境中，并使用高温进行氧化来实现，生成的SiO2层作为掩膜层的一部分。
步骤S2：通过将光刻光源照射在硅第一表面上，然后使用相应的化学溶液处理，形成所需的图案，以在硅第一表面形成刻蚀掩膜。这一步定义了气室的形状和结构。
步骤S3：使用高度精密的等离子体刻蚀（ICP刻蚀）技术，对硅第一表面进行刻蚀，根据刻蚀掩膜形状调整硅的结构。这一步用于形成气室的特定结构。
步骤S4：通过化学溶液或其他方法去除之前形成的刻蚀掩膜，露出已经刻蚀和调整形状的硅第一表面。
步骤S5：在硅第二表面，进行类似于步骤S1的热氧化处理，形成一层SiO2。
步骤S6：通过将光刻光源照射在硅第二表面上，然后使用相应的化学溶液处理，形成所需的图案，以在硅第二表面形成刻蚀掩膜。
步骤S7：使用ICP技术对硅第二表面进行刻蚀，根据第二表面的刻蚀掩膜形状调整硅的结构。
步骤S8：除硅第二表面的刻蚀掩膜，露出已经刻蚀和调整形状的硅第二表面。
步骤S9：对步骤S4和步骤S8制备的硅第一表面和硅第二表面进行溅射、电镀金（除去波导口的位置）。
步骤S10：进行腔体键合（除去波导口的位置）。
步骤S11：进行硅片键合，以密封波导口。
步骤S12：真空处理以确保气室内真空状态，注入特定的分子气体，最后进行气室的密封，以确保气室的功能和性能。需要说明的是，在抽真空或气体灌注的过程中可以可配合外部夹具。
请参看图22，图22为本申请实施例提供的气室的气孔示意图；气室的加工过程中，可根据不同的加工条件，预留出气孔，待抽真空、灌装气体后，再对气孔进行金属封焊。
请参看图23，图23为本申请实施例提供的波导口和台阶的加工示意图；在图23中，第一层为密封气室所用盖板，中间层和第三层结合构成台阶和部分波导通路，也就是说，波导口的波导通路的连接部分采用三基片键合形成。
通过图21至图23可知，本申请实施例提供的气室加工方法通过精密的工艺步骤，主要包括蚀刻、键合、真空封装三个步骤，实现了对气室结构的精准加工；通过三基片键合形成的台阶和波导通路的连接部分，使其具有更好的连接稳定性；此外，气室的制备过程中预留的气孔，通过真空处理、分子气体注入和密封等步骤，确保了气室内部的真空状态和特定气体的注入。通过本申请实施例提供的加工方法加工的气室气密性良好，在气压达到万分之一（0.01%）标准大气压的情况下，气室能够长期保持气密性和稳定性。
本申请还提共一种分子时钟，该分子时钟包括上述的气室，该气室可以通过上述的气室加工方法加工制成。该气室能为高频电磁波和极性气体分子提供作用空间，由于气室的针对性设计（例如，针对具体应用场景体积的设计），高频电磁波的传输损耗较小，为高精度时钟的准确性和稳定性做出了贡献。
请参见图24，图24为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。本申请实施例提供的一种电子设备300，包括：处理器301和存储器302，存储器302存储有处理器301可执行的机器可读指令，机器可读指令被处理器301执行时执行如图3的倒角设计方法、如图11的横截面尺寸的设计方法、如图15的台阶尺寸设计方法、如图21的气室加工方法中的任一实现方式中的步骤。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行如图3的倒角设计方法、如图11的横截面尺寸的设计方法、如图15的台阶尺寸设计方法、如图21的气室加工方法中的任一实现方式中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以是随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），只读存储器（Read Only Memory，ROM），可编程只读存储器（Programmable Read-OnlyMemory，PROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM），电可擦除可编程只读存储器（Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM）等各种可以存储程序代码的介质。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气室，其特征在于，所述气室包括：波导通路和波导口；所述波导通路配置为通过电磁波，并为所述电磁波和目标气体提供作用场所；
所述波导通路在所述电磁波传输方向上存在弯折，所述波导通路沿所述电磁波传输方向上的横截面为相似的几何形状；
所述波导口垂直于所述波导通路所在平面设置，并通过至少一个台阶连接所述波导通路的端部。
2.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述弯折包括倒角；其中，所述倒角包括弧形倒角或直倒角。
3.根据权利要求2所述的气室，其特征在于，所述倒角根据以下方法确定：
将预设倒角的所在的波导通路作为双端口网络，改变所述预设倒角的角度，并获取多组所述双端口网络两端的入射波和出射波；
根据所述双端口网络两端的入射波和出射波，计算目标电磁波通过所述双端口网络的传输损耗；
获取数值最小的所述传输损耗对应的倒角的角度，作为所述倒角的目标角度。
4.根据权利要求2所述的气室，其特征在于，存在弯折的所述波导通路包括：由多个所述弯折连接形成折叠形波导通路；
所述折叠形波导通路在电磁波传输平面内存在多个平行的子传输通路。
5.根据权利要求4所述的气室，其特征在于，存在弯折的所述波导通路还包括：
由通过连接部连接的不同平面的多个所述折叠形波导通路形成的立体折叠形波导通路。
6.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述相似的几何形状包括矩形；所述矩形的尺寸设计包括：
以待通过所述波导通路的目标电磁波在所述波导通路中实现单模传输，且工作频带最宽为条件，根据所述目标电磁波的波长，计算所述矩形的长边范围和短边范围；
从所述长边范围和短边范围中，确定出所述目标电磁波在所述波导通路中S参数的最优值对应的目标长边和目标短边；其中，所述S参数用于评价电磁波在所述波导通路中的传输效果。
7.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述台阶的尺寸设计包括：
获取所述目标电磁波在所述波导通路中的上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长；
根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算所述台阶在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度；
将所述台阶的长度带入所述台阶的预设等效阻抗中，确定所述台阶在垂直于所述电磁波传输平面方向上的台阶高度。
8.根据权利要求7所述的气室，其特征在于，所述根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算所述台阶在平行于电磁波传输平面方向上的台阶长度，包括：
根据所述上边缘频率对应的波导波长和下边缘频率对应的波导波长，计算中心频率对应的波导波长；
基于所述中心频率对应的波导波长，以公式，计算所述台阶长度L；
其中，为所述中心频率对应的波导波长，/>为所述上边缘频率对应的波导波长，/>为所述下边缘频率对应的波导波长。
9.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述气室包括气孔，所述气孔配置为通过所述目标气体，以实现对所述气室抽出目标气体或灌注目标气体。
10.一种分子时钟，其特征在于，所述分子时钟包括如权利要求1-9中任一项所述的气室。
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