NIST:美国测量权威如何依靠Ansys HFSS校准他们的测量万博

美国国家标准与技术研究所(NIST)成立于1901年，是美国最古老的物理科学实验室之一。2015年，我在那里获得博士后职位。我在NIST工作了三年多，参与了许多与无线技术相关的项目，包括一些支持下一代5G网络的测量工具的早期工作。

我想分享一些我最近与NIST的前同事以及博尔德科罗拉多大学的其他研究人员进行的有趣的工作。这项工作已经证明基于原子的传感器这可以确定传入无线电信号的方向，这是实现比传统技术更可靠的通信的关键。

基于原子的传感器已经吸引了很多关注最近。在过去的几十年里，测量标准采用了大量基于原子的测量方法，例如长度(m)、频率(Hz)、时间(s)和质量(kg)标准。有强烈的兴趣将这种采用扩展到磁场(H)和电场(E)传感器。

里德伯原子是一种被激发到高能态的原子，其最外层的电子围绕原子核在非常高的轨道上运行。里德伯原子有许多有趣的特性，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兆赫到太赫兹的宽频率范围内。

在国防高级研究计划局(DARPA)量子辅助传感和读出(QuASAR)计划的赞助下，NIST在开发Rydberg原子射频场传感器方面取得了重大进展。这些传感器与现有技术相比具有优势，包括能够测量射频场的振幅、极化和相位。该技术的众多应用正在涌现，例如场和调制信号的检测、到达角(AoA)的检测、矢量场、不同波形特性、直流到太赫兹的检测以及非常弱和非常强的场的检测。

协作计算到达角度

NIST与Ansys合作，研究基于Rydber万博g原子的传感器确定入射射频场测量的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，该技术使用Rydberg原子混合器来测量e场相位。基于原子的混频器接收输入信号并将其转换成不同的频率。当一个信号用作参考时，第二个信号被调谐到较低的频率。混合器本质上决定了失谐信号在原子蒸气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。

为了验证所提出方法的有效性，NIST测量了不同AoAs在蒸汽池内两个位置的相位差，并将其与万博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，能够有效地匹配测量数据和理论数据，并解决由测量设置引起的误差。由于原子蒸汽电池是由介质制成的，射频场在电池内部会出现多次反射，并产生驻波干扰被测射频场。NIST的科学家们依靠Ansys HFSS模拟来纠正万博由于场扰动问题而导致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与理论数据一致万博

在An万博sys，我们经常遇到研究人员，他们在看到模拟结果和测量结果之间非常一致后感到惊讶。他们真的不应该感到惊讶。我们实际上在做完全相同的事情;唯一的区别是计量学家在实验室里做研究，而模拟专家在电脑上做研究。我们两个都在解决麦克斯韦方程组，它在150多年前被证明是普遍正确的，并且-在Ansys HFSS中制定了自动自适应网格-是绝对准确的。万博

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万博准确性和价值。仿真帮助研究人员在比以往更短的时间内获得高保真度的结果，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关键能力

2.NIST量子探针增强电场测量

3.A.K.罗宾逊，N. Prajapati, D. Senic, M.T. Simons和C.L. Holloway。用里德伯原子传感器确定射频源的到达角。应用物理快报。2021年3月15日在线发布。