NIST:美国测量权威如何依赖Ansys HFSS校准他们的测量

美国国家标准与技术研究院(NIST)成立于1901年，是美国历史最悠久的物理科学实验室之一。2015年，我在NIST担任博士后。我在NIST工作了三年多的时间，参与了许多与无线技术相关的项目，包括一些关于支持下一代5G网络的测量工具的最早工作。

我想分享一些我最近从事的有趣的工作，我在NIST的前同事和科罗拉多大学博尔德分校的其他研究人员。这项工作证明了基于原子的传感器这可以确定传入无线电信号的方向，这是比传统技术实现更可靠通信的关键。

原子传感器很有吸引力很多关注最近。在过去的几十年里，测量标准采用了大量基于原子的测量，例如长度(m)、频率(Hz)、时间(s)和质量(kg)标准。人们对将这种技术扩展到磁场(H)和电场(E)传感器非常感兴趣。

里德堡原子是一种被激发到高能态的原子，其最外层的电子在围绕原子核的很高轨道上。里德堡原子具有许多有趣的特性，包括对外部射频场的敏感响应。这些原子对外部射频场的丰富谐振响应发生在从MHz到THz的宽频率范围内。

由美国国防高级研究计划局(DARPA)量子辅助传感和读出(QuASAR)计划赞助，NIST在开发基于里德伯格原子的射频电子场传感器方面取得了重大进展。与现有技术相比，这些传感器具有优势，包括测量RF场的幅度、极化和相位的能力。这项技术正在涌现出许多应用，如场和调制信号的检测、到达角(AoA)检测、矢量场、不同波形表征、DC到THz检测以及非常弱和非常强场的检测。

协作计算到达角度

NIST与Ansys合作，研究基于Rydberg原子的传感器确定事件射频场测量的AoA的能力，这对雷达和通信行业非常感兴趣。NIST开发了一种外差技术，使用基于里德伯格原子的混合器来测量电子场相位。基于原子的混频器接收输入信号并将其转换为不同的频率。当一个信号被用作参考时，第二个信号被失谐到较低的频率。混合器本质上确定失谐信号在原子蒸汽电池内两个不同位置的相位。科学家可以根据这两个位置的相位差计算出信号的AoA。

为了验证所提方法的有效性，NIST测量了不同AoAs在蒸汽电池内两个位置的相位差，并将其与AoAs进行了比较Ansys基于模拟和a理论模型．HFSS被证明是一种非常精确的仿真工具，能够有效地匹配实测数据和理论数据，并解决由测量设置引起的误差。由于原子蒸汽电池是由介电材料制成的，射频场在电池内部会产生多次反射，并产生驻波扰动被测射频场。NIST的科学家们依靠Ansys HFSS模拟来修正由于场摄动问题而引起的基于原子的传感器响应，以提高与理论模型的一致性。

图2所示。实验、Ansys HFSS和理论数据的一致性

在Ansys，我们经常遇到研究人员在看到模拟结果和测量结果之间的出色一致性后感到惊讶。他们真的不应该感到惊讶。我们实际上在做同样的事情;唯一的区别是计量学家是在实验室里做研究，而模拟专家是在电脑上。我们两人都在求解麦克斯韦方程，该方程在150多年前被证明是普遍正确的，并且在Ansys HFSS中具有自动自适应网格，具有确定性的准确性。

这项杰出的研发工作有助于确保现代雷达和无线通信的性能。在这项研究和许多其他研究中，Ansys再次证明了我们的仿真工具的准确性和价值。模拟可以帮助研究人员在比以往更短的时间内获得高保真的结果，从而促进尖端技术的发展。

参考文献

1.NIST演示为基于原子的无线电通信增加了关键功能

2.NIST量子探针增强电场测量

3.a·k·罗宾逊，n·普拉贾帕蒂，d·塞尼奇，m·t·西蒙斯和c·l·霍洛威。利用Rydberg原子传感器确定射频源的到达角．应用物理通讯。2021年3月15日在线发布。