太赫茲平面近場測量技術研究

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1、密級:公開博士學位論文太赫茲平面近場測量技術研究作者姓名:胡潔指導教師:史生才研究員中國科學院紫金山天文臺學位類別:理學博士學科專業(yè):天體物理研究所:中國科學院紫金山天文臺2017年11月InvestigationofPlanarNear-FieldmeasurementatTerahertzBandsByJieHuADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegr

2、eeofDoctorofAstrophysicsPurpleMountainObservatoryNovember,2017摘要太赫茲(THz)波段具有十分廣闊的應用前景,是目前天文學與大氣科學研究的重要波段。常用的太赫茲探測系統(tǒng)均有光學系統(tǒng)。太赫茲近場測量技術是表征太赫茲波段光學系統(tǒng)特性的重要手段。太赫茲近場測量在天線近場區(qū)進行測試,其測試環(huán)境可控,并可以在一次測量過程中得太赫茲光學系統(tǒng)的一定角度內的所用輻射特性,包括幅度,相位及交叉極化特性。由于太赫茲波段的頻率高,近場測量技術在太赫茲波段的精度及測量速度受到探測器靈敏度,掃描

3、架定位精度及環(huán)境穩(wěn)定性方面的限制,因而需要在相位校準,掃描方式等方面進行一步研究。本論文的主要研究內容及創(chuàng)新點包括:1.構建可搬移的0.1~0.85THz太赫茲平面近場測量系統(tǒng),其中系統(tǒng)參考相位校準采用數(shù)字倍頻的方式進行校準,移動電纜相位變化采用了一種基于環(huán)型器反射的相位校準方案進行校準;提出了一種適用于高增益天線的測量的準光型探頭,成功測量了0.85THz對角喇叭及0.23THz波紋喇叭;2.詳細比較了不同太赫茲平面近場掃描方式,步進掃描與OTF(On-the-Fly)掃描。針對OTF結果的掃描效應,提出了一種基于測量結果二次導

4、數(shù)的校準方案,并使OTF測量結果與步進掃描測量結果精度相當,而效率提高了約7倍;3.設計并測試了基于MEMS工藝的0.18~0.32THz曲面輪廓波紋喇叭。測試結果表明,在0.18~0.32THz范圍內,回波損耗約小于-17dB,增益大于18dB。其遠場方向圖分別采用近場測量與直接遠場測量進行比較,二者均與仿真結果吻合良好;4.測量了應用于大氣觀測的太赫茲超導波譜儀的近場分布,并根據測量結果計算了其遠場特性,給出了測量系統(tǒng)的誤差上界。此外,還利用物理光學法對B2波段進行了詳細分析。本論文的研究工作加深了對太赫茲波段近場測量的探頭,

5、相位校準方案、及掃描方式的理解,為測試太赫茲光學系統(tǒng)提供了解決方案并為后續(xù)研究更大掃描范圍,更高測試頻率的近場測量系統(tǒng)打下了重要基礎。關鍵詞:太赫茲,近場,OTF掃描,波紋喇叭,相位校準IIIAbstractTerahertz(THz)bandshaveavarietyofapplicationsandarecurrentlyimportantwavebandinbothastronomyandatmospherescience.AcommonTHzsystemconsistsofopticalsystemanddetectors

6、ystem.PlanarTHznear-fieldmeasurementmethodisoneofmaintechnologiesthatareusedtocharacterizetheTHzopticalsystems.PlanarTHznear-fieldmeasurementstakeplaceinthenear-fieldofantennasinaclimate-andelectromagnetic-controlledenvironment.Theoverallparametersoftheantennaintherad

7、iationfieldincludingamplitude,phaseandcrosspolarizationcanbeobtainedinasinglemeasurement.Duetothehighfrequencynatureofterahertzwave,themeasurementaccuracyofthenear-fieldapproachislimitedbythesensitivityofthedetectors,thepositioningaccuracyofthescannersandthermalstabil

8、ityoftheenvironment.Thus,thephasecalibrationandscanningmethodneedtobefurtherstudied.Themainresultsareasfollows:1.Implementat

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