畢業(yè)論文-基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器的研究

1、南昌航空大學(xué)2015屆學(xué)士學(xué)位論文畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目: 基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器 的研究 學(xué) 院: 測試與光電工程學(xué)院 專 業(yè): 測控技術(shù)與儀器 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 二O一五年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器的研究業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1、原始資料：色心金剛石高精度測量實(shí)驗(yàn)平臺；微波測試設(shè)備若干；計(jì)算機(jī)2、畢設(shè)要求： (1)查找色心金剛石和均勻微波磁場相關(guān)資料； (2)掌握HFSS微波仿真軟件設(shè)計(jì)使用； (3)提出幾種諧振器設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行微波磁場均勻性設(shè)計(jì)研究； (4)探索色心金剛石

2、微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時間：1、查閱色心金剛石和均勻微波磁場諧振器資料并撰寫開題報(bào)告； 03.0903.202、掌握HFSS微波仿真軟件的設(shè)計(jì)使用； 03.2104.153、提出針對色心金剛石應(yīng)用的均勻微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)方案； 04.1604.304、對設(shè)計(jì)方案的微波磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)和優(yōu)化； 05.0405.155、探索色心金剛石微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究； 05.1605.316、總結(jié)并撰寫論文，答辯。 06.0106.20要參考資料：1Marcus W. Doherty, Neil B. Manson, Paul Delaney,et al.The nitrogen-

3、vacancy colour centre in diamondJ.Physics Reports ,2013(528):1452A. Gruber, A. Drabenstedt, C. Tietz,et al.Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect CentersJ.Science,1997(276):2012-20143Ashok Ajoy ,Paola Cappellaro.Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamon

4、dJ.Physical Review A,2012, 86(062104):1-7. 測試與光電工程 學(xué)院 測控技術(shù)與儀器 專業(yè)類 110813 班學(xué)生（簽名）： 日期： 自 2015 年3 月 9 日 至 2015 年 6 月 26 日指導(dǎo)教師（簽名）： 助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：測控技術(shù)與儀器 系（室）主任（簽名）：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保

5、存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期：基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器的研究 摘要：金剛石中的雜質(zhì)氮空位中心（簡稱NV色心）由一個取代碳的氮原子和相鄰的一個碳空位組成，它的帶電狀態(tài)是一個負(fù)電荷，當(dāng)吸收一定的微波，會發(fā)出熒光，是很好的單光子源，它的基態(tài)三重態(tài)在零磁場下自然劈裂成能級差為2.87GHz的自旋為0和自旋為1的兩個能級?；诮饎偸蠳V色心系綜電子自旋操控和氮原子核自旋操控的研究需求，需要對金剛石內(nèi)部的NV色心輻射中心頻率為2.87GHz的微波，使它的基態(tài)三重態(tài)發(fā)生分裂同時為了更容易的實(shí)現(xiàn)自旋操控的組合操控方式。氮原子與NV色心電子產(chǎn)生超精細(xì)作用的自旋態(tài)能量間隙在

6、MHZ量級，這就要求微波天線需要150MHz左右的帶寬，從而能夠通過天線在合適的功率下實(shí)現(xiàn)最高效率和最高拉比振蕩頻率的操控氮原子核自旋。對于以NV色心系綜為敏感的慣性測量與磁場測量，為了得到有效的測量信號應(yīng)盡量使系綜中各單一自旋受到相同程度的極化與操控，因此要求微波天線在金剛石樣品敏感區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均與的微波場，主要包括微波場幅度的均勻性和微波能量傳輸效率的均勻性。針對實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題應(yīng)當(dāng)考慮微波天線的能量輻射效率，這一點(diǎn)要求微波天線的中心頻率較準(zhǔn)確的定位在2.87GHz，并且要求天線面積與金剛石樣品尺寸差距盡量小以及金剛石樣品距離天線盡可能近。另外考慮到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建，最初采用國際通用的

7、單根導(dǎo)線的輻射形式以方便系統(tǒng)的搭建和實(shí)驗(yàn)效果的驗(yàn)證。在實(shí)現(xiàn)電子自旋和氮原子核自旋的微波操控實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之后，將嘗試設(shè)計(jì)多種形式的微波天線來提高微波輻射效率，并同時保證金剛石位置的水平與固定，以及能夠平穩(wěn)的放置在位移平臺上，并且要求微波天線能與微波源和微波放大器良好的耦合。關(guān)鍵字：NV色心金剛石 電子自旋操控 氮原子自旋操控 微波 中心頻率指導(dǎo)老師簽名：The study on the resonator with uniform microwave field based the color center diamond Student name:chungui.Cao Class:110813S

8、upervisor:Shangkun.RenAbstract:Diamond in the nitrogen vacancy Center (NV Center) a carbon vacancy by a substitution of nitrogen atoms and adjacent carbon composition, with a negative charge of the NV center is the single photon source is very good, its ground state triplet splitting into three natu

9、ral energy difference of spin 2.87GHz 0 and spin two level 1 under zero magnetic field. Study on demand NV center in diamond ensemble of spin manipulation and nitrogen nuclear spin manipulation based on need, diamond radiation center frequency of the microwave signal 2.87GHz to realize the electroni

10、c ground state splitting. At the same time in order to realize the combination of control spin manipulation easier. The nitrogen atoms and NV produce hyperfine interaction center electron spin state energy gap in the order of MHZ, which requires the microwave antenna need about 150MHz bandwidth cont

11、rol, the nitrogen nuclei thus can realize the maximum efficiency and maximum Rabi oscillation frequency at the right power by self rotating antenna.The NV Center for ensemble inertial measurement and measurement of magnetic field sensitive, in order to get the measurement signal effectively should t

12、ry to make the single spin ensemble by polarization and manipulation of the same degree, so the microwave antennas are produced with the microwave field in diamond samples sensitive region, including microwave field amplitude and uniformity of the microwave energy transmission efficiency uniformity.

13、The energy efficiency of radiation should be considered for the microwave antenna may encounter problems in practical applications, the center frequency requirements of microwave antenna accurately positioning in 2.87GHz, and the antenna area and sample size as small as possible the gap between diam

14、ond and diamond samples from the antenna as close as possible. Considering the experiment, verify the effect and built the experimental form of radiation initially using single conductor to facilitate international system. After. After microwave controlled experiments based electron spin and nitroge

15、n nuclear spin, will try to design various forms of microwave antenna to improve microwave radiation efficiency, and at the same time to ensure the position of the diamond level and fixed, and can be smoothly placed on the displacement platform, which is convenient for antenna and microwave source a

16、nd microwave amplifier.Keywords:NV-color-center-diamond electron-spin-manipulation nitrogen-spin manipulation microwave center frequency Signature of Supervisor: TOC o 1-3 h u 目 錄 HYPERLINK l _Toc27305 1 引言 HYPERLINK l _Toc20917 1.1 選題的依據(jù)及意義（ 三維高頻結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解由于HFSS具有以上的功能，符合微波天線各個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所需要的功能，在微波天線領(lǐng)域的應(yīng)用

17、非常流行。4.2 HFSS設(shè)計(jì)流程圖4.1 HFSS設(shè)計(jì)流程基于色心金剛石微波場諧振器的設(shè)計(jì)，本文采用的是2013版HFSS，圖4.1流程圖系統(tǒng)概括了對三維高頻器件進(jìn)行電磁分析和設(shè)計(jì)的簡要流程。具體步驟如下所述：打開HFSS,新建HFSS工程。選擇求解類型。求解類型包括四種。針對本次設(shè)計(jì)主要是選擇模式驅(qū)動求解，它的定義是以模式計(jì)算S參數(shù)，根據(jù)導(dǎo)波內(nèi)各模式的入射功率與反射功率的來計(jì)算S參數(shù)。創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。模型的創(chuàng)建需要構(gòu)造出精確的幾何模型，并且需要指定模型的材料，端口激勵方式和適當(dāng)?shù)姆峙溥吔鐥l件。求解設(shè)置。首先要指定求解頻率、收斂誤差和自適應(yīng)網(wǎng)格剖分最大迭代次數(shù)。并且如果需要對其進(jìn)行掃描分

18、析，還需要選擇合適的掃描類型并指定掃描范圍。運(yùn)行仿真計(jì)算，在仿真過程可能會出現(xiàn)錯誤提示，找出原因?qū)ζ湫薷脑俜抡?，直至無錯誤。仿真自動進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)后處理。查看三維高頻結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)如：S參數(shù)，諧振頻率，場分布等等。最后結(jié)果如果沒有達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以使用HFSS中的Optimetric設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，可以對模型進(jìn)行參數(shù)掃描、優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)諧分析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)。5 微波諧振器的設(shè)計(jì)及HFSS仿真由于微波需要在一定形狀的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳輸能量，然后通過導(dǎo)波結(jié)構(gòu)向周圍的空間發(fā)射電磁微波。為了實(shí)現(xiàn)電子基態(tài)的能級分裂，采用NV色心金剛石，放置在被一定形狀的導(dǎo)波輻射的空間中，讓金剛石感應(yīng)到導(dǎo)波輻射出

19、來的具有一定頻率的電磁場。這種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)有很多種。針對本次微波諧振器的研究，我們主要研究天線這種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。研究某種天線發(fā)射出來的電磁場對電子基態(tài)能級分裂的影響，以便實(shí)現(xiàn)電子的自旋極化、自旋操控、自旋檢測。5.1 微波理論介紹5.1.1 天線基本原理根據(jù)奧斯特實(shí)驗(yàn)，安培定則，畢奧-薩劃爾定律和法拉第定律等等一些有關(guān)于電磁方面的定律表明：在閉合回路中，當(dāng)通以時變的電流會在周圍感應(yīng)出變化的磁場，而變化的磁場又能感生出變化的電流。當(dāng)變化的電流在閉合導(dǎo)體內(nèi)傳播時，會向周圍產(chǎn)生一定的電磁輻射，而這種電磁輻射就是一定頻率的微波。微波的傳播在距微波源很遠(yuǎn)的小范圍觀察，都可以近似為均勻平面波（簡單媒介中電磁波傳播

20、的最簡單的形式）。均勻平面波電磁場量在垂直傳播方向的橫截面上是均勻的和同相的，即垂直于傳播方向的平面既是等相位平面，又是等振幅面，稱為波陣面。在微波的傳播過程中會遇到媒質(zhì)界面時，即媒質(zhì)的物理參數(shù)發(fā)生改變，則產(chǎn)生反射與折射。而被微波照射到的媒質(zhì)會感生出電磁和電荷，這些變化的電磁流和電荷又會在空間進(jìn)行輻射，兩者彼此相互影響。由近向遠(yuǎn)處傳播出去，隨著距離的增加，微波能量會損失。不同頻率的微波在不同的媒質(zhì)中傳播會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，對媒質(zhì)空間中的某些物質(zhì)影響程度不同。那些被微波照射到的物質(zhì)稱為散射體。微波能量最先在一定形狀的波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行傳輸。傳輸微波能量的模型稱為傳輸線。傳輸線模型一般分為三種：傳輸電磁波（

21、Ez=Hz=0,稱為TEM波）的雙導(dǎo)體傳輸線，傳輸色散的橫電波（Ez=0,稱為TE波）或者橫磁波（Hz=0,稱為TM波）的單導(dǎo)體傳輸線，傳輸表面波的介質(zhì)傳輸線。而天線就是某種形式用來發(fā)射微波和接收微波的傳輸線模型。此外，電磁波的傳播具有一定的規(guī)律，而這些規(guī)律早已由電磁學(xué)領(lǐng)域集大成者麥克斯韋總結(jié)出來.電磁波的波動方程可以由麥克斯韋方程組推出得到以下兩個方程：（5-1）（5-2）（5-3）（5-4） 其中，E、B、H、D、J和都是位置（r）與時間（t）的時變函數(shù)，其名稱和單位如下： E（r,t）電場強(qiáng)度（V/m）； B（r,t）磁通量密度（Wb/m2）; H（r,t）磁場密度（A/m）; D（r,

22、t）電位移（C/m2）; J（r,t）電流密度（A/m2）; （r,t）電荷密度（C/m3）;并且，由上面的麥克斯韋方程組可以導(dǎo)出電流密度J（r,t）和電荷密度（r,t）滿足的電流密度J（r,t）和電荷密度（r,t）滿足的電流連續(xù)性定理：（5-5）麥克斯韋方程組的前兩個分別為法拉第定律和安培環(huán)路定律：后兩個方程分別為高斯定律和磁場高斯定律。（5-6）（5-7） （5-8）式（5-6）到（5-8）中，參數(shù)、和分別表示媒介的介電常數(shù)（F/m）、磁導(dǎo)率（H/m）和電導(dǎo)率（S/m）。對于自由空間等各同性媒質(zhì)，這些本征參數(shù)退化為標(biāo)量。在自由空間中（F/m），（H/m）；而在一般的各向同性媒質(zhì)中，其中稱為

23、相對介電常數(shù)，稱為相對磁導(dǎo)率。另外由于電磁波的傳播在不同的外界條件下會呈現(xiàn)出不同的空間分布。所以對于微波諧振器的研究，就是對電磁波麥克斯韋波動方程的求解和外界條件求解的工程問題。其中設(shè)計(jì)到許多復(fù)雜的理論計(jì)算。這就需要具有非常強(qiáng)大的場計(jì)算解能力的HFSS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。從而免去復(fù)雜的理論計(jì)算，直接得到我們需要知道的微波諧振器的各種參數(shù)。5.1.2 天線性能參數(shù)1、方向圖：天線的輻射場在固定距離上隨求坐標(biāo)系的角坐標(biāo)（，）分布的圖形被稱為天線的輻射方向或輻射波瓣圖，簡稱方向圖。2、輻射強(qiáng)度：每單位立體角內(nèi)由天線輻射出的功率稱為輻射強(qiáng)度U，單位為W/Sr（瓦/立方弧度）。輻射強(qiáng)度可以由下式定義： （

24、5-9）方向性系數(shù)：天線的方向性系數(shù)D是指在遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比，即： （5-10） 式中，平均輻射強(qiáng)度U0實(shí)際上是輻射功率除以求面積，即： （5-11）通常所說的方向性系數(shù)指的是在最大輻射方向上的方向性系數(shù)，即： （5-12）4、效率：天線效率就是表征天線將輸入高頻能量轉(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度，定義為天線輻射功率和輸入功率的比值。假設(shè)分別用Pin和Prad表示天線的輸入功率和輸出功率，則天線效率為： （5-13）5、增益：天線增益是表征輸入給它的功率按特定方向輻射的能力，定義為在相同輸入功率、相同距離的條件下，天線在最大輻射方向上的功率密度與無方向行天線在該

25、方向上的輻射功率密度的比值。設(shè)該天線和無方向行天線的輸入功率跟別為Pin和Pin0，且Pin=Pin0，則該天線的增益G可以由下式計(jì)算： （5-14）對比式5-14并且考慮當(dāng)Pin=Pin0,可以得到： （5-15）輸入阻抗天線一般都是通過饋線和反射機(jī)相連的，天線和饋線的鏈接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗。我們一般要求天線的特征阻抗與饋線達(dá)到阻抗匹配的效果使得傳輸線上的微波能量較少的反射。6、回波損耗，又稱為反射損耗。回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，以對數(shù)形式來表示，單位是dB，一般是負(fù)值，其絕對值可以稱為反射損耗。：在高頻場合,反映行波在保護(hù)

26、設(shè)備的過渡點(diǎn)處被反射的比例. 在這一參數(shù)下可直接衡量, 保護(hù)器件與系統(tǒng)的涌波阻抗的匹配程度.7、帶寬：天線的電參量幾乎都與頻率有關(guān)，電參量隨頻率的變化就是天線的頻率特性。頻率特性可以用帶寬表示，滿足天線電參數(shù)一定要求的頻率范圍稱為天線帶寬。5.2 微波天線的設(shè)計(jì)5.2.1 側(cè)饋微帶天線微帶天線的輻射機(jī)理可以用圖5.2.1來進(jìn)行簡單的說明。對于圖所示的矩形貼片微帶天線，理論上可以采用傳輸線模來分析其性能。假設(shè)輻射貼片的長度近似為半波長，寬度為w，介質(zhì)基片的厚度為h，工作波長為。我們可以將輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板視為一段長度為/2的低阻抗微帶傳輸線，且傳輸線的兩端斷開形成開路。由于介質(zhì)基片的厚度

27、h，故電場沿著厚度h方向基本沒有變化。在最簡單的情況下，我們可以假設(shè)電場沿著寬度w方向也沒有變化。那么，在只考慮主模激勵（TM10模）的情況下，傳輸線的場結(jié)構(gòu)如圖5.2.1（a）所示，輻射基本上可以認(rèn)為是由輻射貼片開路邊的邊緣引起的。在兩開路端的電場可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。由于輻射貼片長度約為半個波長，因此兩開路端電場的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫隙的寬度為L（近似等于基片厚度h），長度為w，兩縫隙相距為半波長，縫隙的電場沿著w方向均勻分布，電場方向垂直于w方向，如圖5.2.1所示圖 5.2.1

28、 微帶天線微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、同軸線饋電、耦合饋電（Coupled Feed）和縫隙饋電(Slot Feed)等，由于PCB電路板的設(shè)計(jì)較其它饋電方式的設(shè)計(jì)簡單，本篇論文采用微帶線饋電這種饋電方式。微帶線饋電方式又稱為側(cè)饋，它用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶線傳輸線進(jìn)行饋電。它可以中心饋電，也可以偏心饋電，如圖5.2.2所示，饋電點(diǎn)的位置取決于激勵哪種模式。對于微帶線的饋電方式，當(dāng)微帶天線的尺寸確定以后，可以用以下方法進(jìn)行阻抗匹配：先將中心饋電天線輻射貼片同50饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出阻抗匹配變換器，然后在天線輻射貼片與饋線之間接入該阻抗匹配器，重新做成天線。 中心

29、饋電 偏心饋電圖5.2.2 饋電方式（1）微帶輻射貼片尺寸估算 設(shè)計(jì)微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為r，對于工作頻率的矩形微帶天線，可以用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬度w，即為：（5-16）式(5-16)中，c是光速。輻射貼片的長度一般取為e/2；這里e是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長，即為： （5-17）考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際上的輻射單元長度L應(yīng)為： （5-18） 式(5-18)中，是有效介電常數(shù)，是等效輻射縫隙長度。它們可以分別用下式計(jì)算，即為：（5-19）（5-20）（2）特征阻抗 假設(shè)微帶線的寬度為，介質(zhì)層的厚度為，介質(zhì)的相對介電常數(shù)為，根據(jù)理論分析可知，微帶線的特征阻

30、抗可由下式估算：（5-21）式（5-21）中,為有效介電常數(shù)，（5-22） （3）輻射場矩形微帶天線的方向性函數(shù)可以表示為：（5-23）我們關(guān)心的是E面（）和H面（）方向圖，于是由式可得E面的方向性函數(shù)為：（5-24）考慮到，則式可以近似寫為：（5-25）H面的方向性函數(shù)為： （5-26）（4）輸入導(dǎo)納 天線采用如圖2.2.2所示的微帶線饋電方式，假設(shè)饋電點(diǎn)到輻射貼片邊緣拐角處的距離為z，則微帶天線的輸入導(dǎo)納可以由下式計(jì)算：（5-27）式中，Y0是把天線視作傳輸線的特性導(dǎo)納，是介質(zhì)中的相位常數(shù)，G是輻射電導(dǎo)，B是等效電納，且有：（5-28）（5-29）（5-30）式（5-30）中，是把天線視作

31、傳輸線時的特性阻抗。在一般情況下，。這樣。式（5-27）可以化簡為：（5-31）式5-31中，除外，該式均成立?？梢?，選取不同的饋電點(diǎn)位置可以獲得不同的輸入阻抗。5.2.2 HFSS設(shè)計(jì)使用HFSS設(shè)計(jì)中心頻率為2.87GHz的矩形微帶天線，并給出其天線參數(shù)。介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹脂（FR Epoxy）板，天線饋電方式為微帶線饋電。（1）計(jì)算天線尺寸微帶天線的介質(zhì)基片采用厚度為1.6mmde FR4環(huán)氧樹脂板，所以厚度h=1.6mm，介質(zhì)的介電常數(shù)和等效縫隙寬度，計(jì)算分別如下：輻射貼片寬度：輻射貼片長度：有效介電常數(shù)：等效縫隙寬度：（2）饋電點(diǎn)位置和輸入阻抗對于微帶天線的設(shè)

32、計(jì)，饋電方式采用了中心饋電方式，微帶線饋電點(diǎn)的位置選在輻射貼片的中點(diǎn)。此時饋電點(diǎn)和輻射貼片邊緣距離為=15.905mm,由式（5-31）計(jì)算出此時天線的輸入導(dǎo)納，從而推算出天線的輸入阻抗值。其輸入阻抗.（3）阻抗匹配 一般而言，微帶天線的邊緣阻抗為，并不符合微波器件通用的50系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行阻抗匹配。所以在設(shè)計(jì)微帶線饋電的矩形微帶天線時，根據(jù)實(shí)際性能要求加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器，使得微帶天線的邊緣阻抗與50阻抗達(dá)成匹配。圖5.2.3所示為一個1/4波長阻轉(zhuǎn)換器，假設(shè)天線的邊緣阻抗為，微帶線特性阻抗為，1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗為。阻抗的匹配條件為： （5-32）微帶線特性阻抗為,天線

33、邊緣阻抗上面計(jì)算為，所以波長阻抗變換器的特性阻抗為。圖5.2.3 1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器（4）微帶線的尺寸對于覆蓋在介質(zhì)基片厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹脂的微帶線，我們可以用式5-21計(jì)算出特性阻抗為50時對應(yīng)的微帶線為2.98mm，特性阻抗為80.6時對應(yīng)的微帶線寬度為1.16mm。微帶線在2.87GHz是1/4波長對應(yīng)的長度為26mm。HFSS設(shè)計(jì)概述計(jì)算出了上述的矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸之后，就可以使用HFSS設(shè)計(jì)分析這樣一個微帶天線。為了方便建模和后續(xù)的性能分析，在設(shè)計(jì)中我們定義一系列變量來表示矩形天線的結(jié)構(gòu)尺寸。變量的定義以及天線的結(jié)構(gòu)尺寸如表5.2.1所示表5.2.1變量定義結(jié)構(gòu)名稱

34、變量名變量值（單位：mm）介質(zhì)基片厚度H1.6mm輻射貼片長度L024.52mm寬度W031.81mm1/4波長阻抗變換器長度L113mm寬度W11.16mm50微帶線長度L215mm寬度W22.98mm矩形微帶天線的HFSS設(shè)計(jì)模型如圖所示。模型的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，輻射貼片的長度方向是沿著軸方向。介質(zhì)基片的寬度是輻射貼片寬度的2倍，寬度方向是沿著軸方向。介質(zhì)基片的寬度是輻射貼片寬度的兩倍（2W0）,介質(zhì)基片的長度是兩倍輻射貼片長度、1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器長度與50微帶線的長度之和（即為2L0+L1+L2）。由于在仿真環(huán)境下，必須要給參考地和輻射貼片一個邊界條件，故采用理想薄導(dǎo)體來代替參考地和輻

35、射貼片，在實(shí)物PCB板中輻射貼片和參考地是具有良好導(dǎo)電性能的鍍膜銅片。 主視圖 俯視圖圖 5.2.4 微帶線的幾何模型時，我們必須設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面和輻射體的距離通常需要大于1/4個波長，2.87GHz時自由空間中1/4個波長約為26mm。這里創(chuàng)建一個長方體模型來設(shè)置輻射表面，長方體的地面和介質(zhì)基片地面重合，長方體在傳輸線終端一側(cè)的表面和傳輸線終端重合，其他表面和輻射貼片的距離設(shè)置為26mm。傳輸向的終端使用波端口激勵，端口底面和參考地相接，端口高度設(shè)置為介質(zhì)基片高度的8倍，端口寬度設(shè)置+為微帶線寬度的8倍。求解頻率，這里設(shè)置為天線的中心頻率2.87GHz，掃頻范圍設(shè)置為，使用快速

36、掃頻。在設(shè)計(jì)中我們需要調(diào)整微帶貼片的長度和阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度，以便達(dá)到良好的天線性能，并在最后使用HFSS分析給出微帶天線各項(xiàng)性能參數(shù)的分析結(jié)果。5.2.3 HFSS仿真1新建設(shè)計(jì)工程（1）運(yùn)行HFSS并新建工程。啟動HFSS軟件。界面如下圖所示5.2.5 HFSS仿真界面（2）設(shè)置求解類型。由于該天線是在輻射腔體內(nèi)故設(shè)置求解類型為模式驅(qū)動求解類型。從主菜單欄中選擇【HFSS】【SolutionType】命令，打開如下圖所示的SolutionType對話框，選中Driven Modal。5.2.6 設(shè)置求解類型（3）設(shè)置模型長度單位。根據(jù)國內(nèi)外研究天線的經(jīng)驗(yàn)來看，天線的尺寸單位量級大小一般采用單

37、位mm。設(shè)計(jì)出的天線相對日常生活中的天線較小從主菜單欄中選擇【Moldeler】【units】命令，在Select units選項(xiàng)設(shè)置為mm。5.2.7 設(shè)置模型單位2添加和定義設(shè)計(jì)變量。從主菜單欄中選擇【HFSS】【Designe Properties】命令，打開設(shè)計(jì)屬性對話框。在該對話框中單擊按鈕，打開Add Property對話框。輸入變量名和初始值。5.2.8 設(shè)置變量3設(shè)計(jì)建模創(chuàng)建介質(zhì)基片。從主菜單欄中選擇【Draw】【Box】命令，創(chuàng)建給定參數(shù)的長方體。模型材質(zhì)為FR4，并將該模型命名為Substrate。創(chuàng)建輻射貼片。從主菜單欄中選擇【Draw】【Rectangle】命令，長度和

38、寬度分別用L0和W0表示矩形面，并將其命名為Patch。創(chuàng)建1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器。從主菜單欄中選擇【Draw】【Rectangle】命令，創(chuàng)建給定參數(shù)的矩形面，并將其命名為Transition.創(chuàng)建50微帶傳輸線。從主菜單欄中選擇【Draw】【Rectangle】命令，創(chuàng)建給定參數(shù)的矩形面，并將其命名為Microstrip。使用合并操作把3個矩形面合并成一個整體。4設(shè)置邊界條件設(shè)置新生成平面模型Patch的邊界條件為理想導(dǎo)體邊界。選中平面模型Patch,然后在其上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單選擇【Assign Boundary】【Perfect E】命令，然后默認(rèn)設(shè)置不變。5.2.9 設(shè)置邊

39、界條件設(shè)置輻射邊界條件。從主菜單欄中選擇【Draw】【Box】命令，創(chuàng)建給定參數(shù)的長方體。并將其命名為AirBox,設(shè)置其透明度為0.8。然后選中AirBox模型單擊右鍵。在彈出的快捷菜單選擇【Assign Boundary】【Radiation】命令，然后默認(rèn)設(shè)置不變。5.2.10 設(shè)置輻射邊界條件把介質(zhì)基片的地面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。選中介質(zhì)基片的地面。單擊右鍵。在彈出的快捷菜單選擇【Assign Boundary】【Perfect E】命令。然后默認(rèn)設(shè)置不變。如圖5.2.10一樣。5設(shè)置端口激勵設(shè)置天線輸入端口為波端口激勵。波端口平面寬度設(shè)置為微帶線寬度的8倍，波端口平面高度設(shè)置為介質(zhì)基片

40、高度的8倍，并設(shè)置端口負(fù)載為50。創(chuàng)建端口平面，創(chuàng)建給定參數(shù)的波端口激勵面。從主菜單欄中選擇【Draw】【Rectangle】命令。然后將其命名為Port，透明度為0.4。設(shè)置波端口激勵單擊Port，選中新建的端口平面。單擊右鍵。在彈出的快捷菜單選擇【Assign Exciatation】【W(wǎng)ave Port】命令。打開波端口設(shè)置對話框，如圖所示，在Name文本框中輸入端口名稱P1，然后單擊對話框中的按鈕，打開Modes對話框。保持默認(rèn)設(shè)置不變，直接單擊按鈕，打開Post Processing對話框。在Post Processing對話框中選中Renormalized ALLModels單選按

41、鈕，并設(shè)置端口阻抗為50，如圖所示，然后單擊，完成波端口激勵方式的設(shè)置。5.2.11設(shè)置波端口激勵5.2.12波端口Port Processing的設(shè)置6求解設(shè)置微帶天線的工作頻率2.87GHz。所以求解頻率設(shè)置為2.87GHz。同時，添加1.5GHz3.5GHz的掃頻設(shè)置，步進(jìn)值為0.01，選擇快速（Fast）掃頻類型，分析天線在1.5GHz3.5GHz頻段的回波損耗。求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置。設(shè)置求解頻率為2.87GHz，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)為10，收斂誤差為0.02。右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單選擇【Add Solution Setup】命令，打開Sol

42、ution Setup對話框。在Solution Frequency文本框中輸入求解頻率2.87GHz，Maximum- Number of Passes文本框輸入最大迭代次數(shù)10，Maximum Delta S文本框中輸入收斂誤差0.02，其他保持默認(rèn)設(shè)置，如圖所示。然后單擊按鈕，完成求解設(shè)置。掃頻設(shè)置掃頻類型選擇快速掃頻，掃頻范圍為1.53.5GHz，頻率步進(jìn)為0.01GHz。單擊工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，打開Edit Sweep對話框，如圖所示。在Sweep Type下拉列表中選擇掃描類型為Fast,在Frequency Setup選項(xiàng)組中的Type下拉列表中選擇LinearSte

43、p選項(xiàng)，在Start文本框中輸入1.5GHz，在Stop文本框中輸入3.5GHz，Step Size文本框中輸入0.01GHz,其他選項(xiàng)都保持默認(rèn)設(shè)置。通過前面的的操作，我們已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等HFSS設(shè)計(jì)的前期工作，接下來確認(rèn)設(shè)計(jì)的完整性和正確性。從菜單欄中選擇【HFSS】【Validation Check】命令。此時會打開如圖下所示的Validation Check對話框。該對話框中的Boundaries and Excitations選項(xiàng)前面顯示的是警告標(biāo)志，顯示出警告的具體原因?yàn)椋骸?Warning-Boundary rad1and Boundary PerfE2overla

44、p”。這是因?yàn)檩椛溥吔绲牡酌婧徒橘|(zhì)基片的基片重合，所以在設(shè)置輻射邊界表面時，介質(zhì)基片的底面也會被設(shè)置為輻射邊界條件，而后我們又給介質(zhì)基片的底面分配理想導(dǎo)體邊界條件，從而產(chǎn)生了這條警告信息。因?yàn)樵贖FSS中后分配的邊界條件會覆蓋先分配的邊界條件，所以介質(zhì)基片底面的邊界條件最終表現(xiàn)為理想導(dǎo)體邊界，符合設(shè)計(jì)要求。我們即可以忽略這條警告信息。7察看天線的諧振頻率察看天線信號端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結(jié)果，給出天線的諧振頻率。右鍵單擊工程樹下的Result節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷單中選擇【Creat Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令，打開報(bào)

45、告設(shè)置對話框。在該對話框中選擇的是Setup1：Sweep 1，在Function列表中選中dB。然后單擊New Report按鈕，再單擊Close按鈕關(guān)閉對話框。此時即可生成如圖5.2.13所示的S11在1.5GHz3.5GHz的掃頻分析結(jié)果。5.2.13 S（1，1）參數(shù)圖從分析結(jié)果中我們可以看出，天線的諧振頻率落在2.81GHz上，而我們設(shè)計(jì)要求的中心頻率為2.87GHz，所以接下來需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，使天線的諧振頻率落在2.87GHz上。8 討論輻射貼片的長度和寬度對諧振頻率的影響根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率主要由輻射貼片的長度決定，貼片的長度越短，則諧振頻率越高。接下

46、來，我們使用參數(shù)掃描分析功能分析諧振頻率隨著輻射貼片長度L0的變化關(guān)系，從而找到諧振頻率為2.87GHz所對應(yīng)的L0。添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)右鍵單擊工程樹下的Optimetrics節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇【add】【Parametric】命令，打開Setup Sweep Analysis對話框，單擊該對話框中的add鍵，打開Add/Edit Sweep對話框。在Add/Edit Sweep對話框中將Variable選項(xiàng)設(shè)置為變量L0，選中Linear Setup單選按鈕，分別在Start、Stop和Setup文本框中輸入23mm、25mm和0.5mm,然后單擊Add按鈕，上述操作完成后，單擊O

47、K按鈕，關(guān)閉Add/Edit Setup對話框。最后，單擊Setup Sweep Analysis對話框中的確定鍵，完成添加參數(shù)掃描的操作，即可添加L0為掃描變量。右鍵單擊工程樹下的Parametric節(jié)點(diǎn)下的ParametricSetup1選項(xiàng)，在彈出的快捷菜單中選擇【Analysis】命令，運(yùn)行參數(shù)掃描分析。參數(shù)掃描分析完成后，右鍵單擊工程樹下的Result節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇【Creat Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令，打開報(bào)告設(shè)置對話框，選擇S11參數(shù)，F(xiàn)unction值為dB值。結(jié)果報(bào)告中，每條S11曲線對應(yīng)的L

48、0值是不同的變量值。5.2.14 輻射貼片長度掃描結(jié)果圖5.2.15 輻射貼片長度與諧振頻率的關(guān)系圖我們從圖5.2.15中可以看出，當(dāng)L0越大，諧振頻率越小。并且2.87GHz諧振頻率對應(yīng)的L0值在23.5和24之間。然后重復(fù)上述的步驟，我們可以細(xì)化掃描范圍找到諧振頻率為2.87GHz的L0值，通過掃描分析在L0=23.88處的諧振頻率為2.87GHz。在分析輻射貼片長度對諧振頻率的影響之后。此外，我們還要對輻射貼片的寬度進(jìn)行掃描分析，分析寬度對諧振頻率的影響。操作步驟與長度分析掃描一樣，只是把L0值換成W0值，Start、Stop和Setup換成29mm、32mm和1mm，詳細(xì)操作步驟太過冗

49、長，不做介紹，分析結(jié)果如圖5.2.16所示。5.2.16 輻射貼片的寬度與諧振頻率的關(guān)系圖可以看出，輻射貼片的寬度對微帶天線的諧振頻率沒有多大的影響。主要還是輻射貼片的長度對微帶天線的諧振頻率有較大的影響。接下來我們討論阻抗匹配帶的寬度對諧振頻率的影響，用得出的結(jié)論引導(dǎo)我們調(diào)節(jié)阻抗匹配獲得最佳匹配性能。首先從主菜單中選擇【HFSS】【Design Properties】命令，打開屬性對話框，把設(shè)計(jì)變量L0的值由24.52mm改為23.88mm.然后添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)。使用與上面相同的方法，添加1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度變量W1為掃描變量，參數(shù)掃描范圍為0.9mm-1.4mm,步長步進(jìn)值為0.1

50、mm，完成后，參數(shù)掃描分析項(xiàng)的名稱會添加到工程樹下的Optimetric節(jié)點(diǎn)下，默認(rèn)的名稱為ParametricSetup2.然后點(diǎn)擊Optimetrics節(jié)點(diǎn)下，其默認(rèn)的名稱為parametricSetup2,再右鍵單擊parametricSetup2,然后進(jìn)行分析Analyze，運(yùn)行參數(shù)掃描分析。最后查看分析結(jié)果。5.2.17 阻抗匹配微帶線的寬度與諧振頻率的關(guān)系圖從參數(shù)掃描分析結(jié)果中可以看出，改變1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度W1，不會改變天線的諧振頻率。雖然不改變諧振頻率，但是W1越小，回波損耗就越小。為了達(dá)到非常好的阻抗匹配效果，我們應(yīng)合理的選用適當(dāng)?shù)腤1寬度，不能拘泥于理論值。經(jīng)過上述

51、掃描分析之后，我們可以得出天線諧振頻率為2.87GHz所對應(yīng)的各種參數(shù)值。如圖5.2.18所示：;5.2.18 諧振頻率為2.87GHz天線對應(yīng)的各參數(shù)值HFSS仿真結(jié)果如下所示5.2.19 仿真結(jié)果從圖5.2.19中我們可以看出：微帶天線的諧振頻率在2.87GHz，回波損耗達(dá)到了-17.6262。5.2.20 實(shí)物圖6 結(jié)論及展望6.1 結(jié)論基于色心金剛石的均勻微波場諧振器的研究，是為了對金剛石輻射中心頻率為2.87GHz的微波信號來實(shí)現(xiàn)電子基態(tài)的分裂，同時為了更容易的實(shí)現(xiàn)自旋操控的組合操控方式。需要設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求的微波天線，要求微波天線的頻率達(dá)到2.87GHz,且微波天線在金剛石中的磁場

52、分布要均勻。本次論文主要的工作體現(xiàn)在第五章，即微帶天線的設(shè)計(jì)，第五章首先介紹了微帶天線的原理以及微帶天線輻射貼片參數(shù)的計(jì)算公式。針對本次天線設(shè)計(jì)，采用了微帶線式的中心饋電方式。由于邊緣阻抗的影響需要與50的微帶線進(jìn)行阻抗匹配，阻抗匹配時采用了1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器進(jìn)行匹配。然后采用了上述參數(shù)進(jìn)行HFSS仿真發(fā)現(xiàn)在理論參數(shù)值仿真下得出的諧振頻率并不符合2.87GHz的要求。對輻射貼片的長度和寬度進(jìn)行了掃描分析，找到諧振頻率對應(yīng)的參數(shù)值。然后分析輻射貼片的長度和寬度對諧振頻率的影響，得出了一些結(jié)論：輻射貼片的長度越短，諧振頻率越高。輻射貼片的寬度對諧振頻率影響不大。為了獲取更好的匹配效果，我們對1/

53、4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度進(jìn)行了掃描分析，發(fā)現(xiàn)1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度對諧振頻率沒有影響，但是對回波損耗有影響。寬度越窄回波損耗S11就越小。對于這些結(jié)論，意義非常重大。對今后的微波天線設(shè)計(jì)有著理論的指導(dǎo)作用。以免盲目設(shè)計(jì)，造成時間、精力的浪費(fèi)。6.2 展望基于色心金剛石中NV色心系綜實(shí)現(xiàn)慣性測量是當(dāng)今世界科學(xué)界研究的熱門方向，也是難以攻克的研究課題，都尚處于實(shí)驗(yàn)論證階段。世界幾個著名研究小組如Budker小組、Wrachup小組、Walsworth小組以及中國杜江峰小組都是這個研究課題的熱烈追求者。他們在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用的微波諧振器都達(dá)到了一定的效果。對我今后的微波諧振器的設(shè)計(jì)具有很大幫助，此次

54、論文畢設(shè)由于時間倉促，未對設(shè)計(jì)的微波諧振器做實(shí)驗(yàn)分析。仿真結(jié)果雖然說很理想，但是它在金剛石中的磁場分布沒有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是否對實(shí)現(xiàn)基態(tài)能級分裂有效，能否滿足實(shí)驗(yàn)要求，這需要進(jìn)一步的研究。在今后研究當(dāng)中，需要了解更多關(guān)于微波方面的知識以及對多種天線進(jìn)行模仿仿真，分析其預(yù)期效果和設(shè)計(jì)思路。然后嘗試多種微波諧振器的研究，使微波諧振器與金剛石達(dá)到最好的耦合效果。參考文獻(xiàn)1S.Ya.kilin,J.Wrachtrup Diamond quantum computer.The Erwin Schrodinger International Institute for Mathematical Physic

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