太赫茲測試測量技術(shù)及測試儀器

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1、太赫茲測試測量技術(shù)及測試儀器太赫茲測試技術(shù)姜萬順，鄧建欽(電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東青島266555)摘要：本文主要介紹基于毫米波向上擴(kuò)展方式的THz測試技術(shù)，主要包括THz信號發(fā)生、THz信號功率和頻譜檢測及矢量網(wǎng)絡(luò)分析等相關(guān)儀器的實(shí)現(xiàn)方案和目前國內(nèi)外達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：太赫茲(THz)測試與測量儀器一、引言THz(TeraHertz)頻段是指頻率從十分之幾到十幾個THz,介于毫米波與紅外光之間相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域，乂稱T射線(Terahertz-Ray)，是電子學(xué)與光學(xué)的交界處，無線電物理領(lǐng)域稱其為亞毫米波(SMMW，Sub-Mi

2、llimeterWave),而光學(xué)領(lǐng)域則習(xí)慣稱之為遠(yuǎn)紅外輻射(FIR,Far-Infra-Red),長期以來，由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，人們對于該波段電磁輻射性質(zhì)的丫解非常有限，以致于該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙。該波段也是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一個頻率窗口。THz電磁波及其應(yīng)用技術(shù)己經(jīng)成為科學(xué)界的“熱點(diǎn)”領(lǐng)域。它在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文等方面具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景。測試與測量技術(shù)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，THz測試與測量儀器設(shè)備因技術(shù)難度大，發(fā)展相對緩慢，造成了THz技術(shù)研宂相對滯后。在THz測

3、試技術(shù)中首先要解決的是THz電磁信號的發(fā)生技術(shù)、THz電磁信號的頻率和功率檢測技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)的大動態(tài)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測試技術(shù)，這也是THz技術(shù)研究領(lǐng)域的最前沿問題。THz信號的發(fā)生和接收有兩種發(fā)展方向，一種是從紅外往下擴(kuò)展，一種是從毫米波向上擴(kuò)展，一般紅外向下擴(kuò)展方式產(chǎn)生的THz信號具有輸出功率高、頻率高的特點(diǎn)，但是分辨率較低；毫米波向上擴(kuò)展方式產(chǎn)生的THz信號輸出功率小，頻率上限也稍低，但是分辨率高，本文主要討論的是基于毫米波向上擴(kuò)展方式的THz測試技術(shù)，因此內(nèi)容主要涉及到THz的頻率低端。二、THz電磁波信號的產(chǎn)生技術(shù)圖1:中國電科41所THz倍

4、頻源測試儀器的THz電磁波信號產(chǎn)生，一般分為基于光子學(xué)的THz信號發(fā)生方法和電子學(xué)的THz信號發(fā)生方法?；诠庾訉W(xué)的方法有：自由電子激光器、電光晶體THz脈沖源、瞬時光電導(dǎo)產(chǎn)生THz電磁脈沖等?；诠庾訉W(xué)的THz信號發(fā)生器，具有頻帶寬（從O.lTHz至30THZ），輸出功率較大（連續(xù)波輸出功率可達(dá)到百毫瓦量級）的特性，但頻率分辨率相對較低（GHz到MHz量級）;基于電子學(xué)的THz信號發(fā)生器主要包括返波管直接基波振蕩器和基于微波信號發(fā)生的肖特基二極管倍頻器?；‰娮訉W(xué)的THz信號發(fā)生器最高頻率達(dá)到1.9THZ,返波管基波振蕩器輸出功率達(dá)到毫瓦量級，

5、輸出頻譜純度高（雜散可達(dá)到-60dBc）;基于微波信號發(fā)生器，通過肖特基二極管倍頻的THz信號源，輸出功率相對較小(與同頻段返波管小10dB左右)，但其具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便等優(yōu)勢。圖1是屮國電科41所基于倍頻方案的THz信號發(fā)生器實(shí)物圖，圖2和圖3是1mm頻段倍頻源典型輸出功率實(shí)測曲線。2AV82406C信號源輸出功率圖3AV82406D信號源輸出功率三、THz電磁波信號的檢測技術(shù)THz電磁波信號的檢測主要方法有：用飛秒激光取樣的電光晶體探測器。探測光束在Pockels效應(yīng)下被THz脈沖電場調(diào)制，同時THz時域波形被復(fù)制到展寬的探測光頻

6、域譜上，信號被光電二極管接受并檢測。使用飛秒激光觸發(fā)的電光晶體探測器的顯著特點(diǎn)是具有極寬的頻譜響應(yīng)和非常高的測量信噪比，適合于成像測量，缺點(diǎn)是裝置比較復(fù)雜，價格昂貴。超導(dǎo)SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)混頻檢測器。SIS探測器以光子輔助隧穿機(jī)制為理論基礎(chǔ)，探測頻率范圍約為O.lTHz?1.2THZ,需要在液氦溫度下工作。此外，在室溫環(huán)境下，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也是可以使用的，平面的肖特基二極管己經(jīng)在2.5THZ被成功應(yīng)用在空間技術(shù)中。作為測試儀器的THz功率測量設(shè)備主要基于熱電效應(yīng)的太赫茲光功率測試探

7、測器。4THZ12D-3S-VP功率測試系統(tǒng)圖5ERICKSON公司PM4功率計(jì)圖6屮國電科41所THz功率計(jì)Gentec-EO公司研制的太赫茲光功率測試探測器主要代表產(chǎn)品是THz12D-3S-VP探測器，該探測器基于溫差電效應(yīng)響應(yīng)太赫茲光，探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號之后，通過控制器與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上實(shí)時輸出太赫茲光功率，如圖4所示。頻率范達(dá)到0.1?30THz，最小測量功率為-40dBm;圖5是ERICKSON公司PM4功率計(jì)，測試頻率范圍：80-llOOGHzJ力率測試范圍為luW-200mW。屮國電科41所研發(fā)了基于肖特基二極管的檢波

8、式系列功率探頭（如圖6所示），相對熱電式探頭，其相應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性更好，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所7JKo表1:中國電科41所THz功率探討