波導(dǎo)內(nèi)置硅塊對(duì)高功率太赫茲脈沖的響應(yīng)

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1、第25卷第2期強(qiáng)激光與粒子束Vo1．25。No．22013年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb．，2013文章編號(hào)：lOOl一4322(2013)o2—0455—06波導(dǎo)內(nèi)置硅塊對(duì)高功率太赫茲脈沖的響應(yīng)王雪鋒。，王建國。，王光強(qiáng)，童長(zhǎng)江，李爽，李勇(1．話北核技術(shù)研究所，西安710024；2．解放軍63655部隊(duì)，烏魯木齊841700；3．西安交通大學(xué)電子與信0,I程學(xué)院，西安710049)摘要：利用三維電磁場(chǎng)時(shí)域有限差分法，對(duì)0．3～O．4THz高功率太赫茲脈沖作用下置于矩形波導(dǎo)內(nèi)部寬邊中心的n型硅塊響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行

2、了研究。通過對(duì)置人硅塊前后矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布、電壓駐波比及硅塊內(nèi)平均電場(chǎng)的模擬分析，得出硅塊幾何尺寸和電阻率對(duì)上述物理量的響應(yīng)規(guī)律，硅塊長(zhǎng)、寬、高和電阻率均會(huì)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)電壓駐波系數(shù)產(chǎn)生影響，其中以高度影響最為明顯；硅塊內(nèi)平均電場(chǎng)在低頻段和高頻段單調(diào)性不一致。最后，在優(yōu)化硅塊長(zhǎng)、寬、高及電阻率的基礎(chǔ)上，給出了一種可用于該頻段高功率太赫茲脈沖直接測(cè)量的電阻探測(cè)器芯片設(shè)計(jì)方案，其相對(duì)靈敏度約為0．509kw_。，幅度波動(dòng)不超過14％，電壓駐波比不大于1．34。關(guān)鍵詞：高功率；太赫茲；矩形波導(dǎo)；電阻探測(cè)器；測(cè)量中圖分類號(hào)：O441．6；O473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

3、doi：10．3788／HPLPB2Ol325O2．0455太赫茲波是頻率位于0．1～10THz之間的電磁波，隨著近年來源和測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，得到廣泛應(yīng)用_1]。相對(duì)于當(dāng)前應(yīng)用最多的低功率太赫茲源，高功率脈沖源則因其功率高和傳播遠(yuǎn)等特點(diǎn)越來越受到通信和雷達(dá)等領(lǐng)域的關(guān)注，如自由電子激光器、回旋管和相對(duì)論切倫科夫器件等]。由于高功率太赫茲脈沖具有峰值功率高(通常在1Mw以上)和脈沖時(shí)間短(通常為ns級(jí)甚至更短)的特點(diǎn)，對(duì)其功率(尤其是峰值功率)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)很困難的問題。目前，高功率太赫茲脈沖功率測(cè)量主要有量熱法和二極管檢波法瞳]。量熱法依據(jù)待測(cè)脈

4、沖的能量積累實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量，對(duì)于非矩形脈沖和高功率低能量脈沖測(cè)量存在局限性；二極管檢波法將衰減后的高功率脈沖轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因二極管承受功率限制而引入的大衰減對(duì)測(cè)量結(jié)果精度和測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜程度均有一定影響[3]。在0．3～0．4THz這一典型的大氣窗口，克服現(xiàn)有高功率太赫茲脈沖測(cè)量方法不足并開展新測(cè)量技術(shù)研究，對(duì)高功率太赫茲技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展具有重要推動(dòng)意義。硅塊對(duì)高功率太赫茲脈沖作用的響應(yīng)規(guī)律研究結(jié)果將應(yīng)用于一種探測(cè)器設(shè)計(jì)，這種探測(cè)器在微波波段被稱為電阻探測(cè)器口]，依據(jù)強(qiáng)電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子效應(yīng)引起的半導(dǎo)體電阻變化原理實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量。這種探測(cè)器

5、目前已成功應(yīng)用于微波波段L4]，并在w及D波段展開了相應(yīng)研究[6]，但在更高頻段的研究在國內(nèi)外則尚未展開。與二極管檢波器相比，它具有可直接測(cè)量高功率脈沖而無需引入大衰減，能較大地提高測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)。本文在研究矩形波導(dǎo)內(nèi)置n型硅塊對(duì)0．3～0．4THz高功率脈沖作用響應(yīng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種可直接用于該類信號(hào)測(cè)量的電阻探測(cè)器芯片設(shè)計(jì)方案，并給出了基本工作參數(shù)。1研究模型和方法1．1研究模型高功率太赫茲脈沖作用下，12型硅塊中電子從電場(chǎng)中獲得很大能量，速度大于熱平衡時(shí)的速度，平均自由時(shí)間減小，遷移率降低，引起硅塊電阻變化，這一現(xiàn)象稱為熱載流子效應(yīng)L9]。電

6、阻探測(cè)器以測(cè)量硅塊這種電阻變化為手段實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量，其主要指標(biāo)有工作頻段、電壓駐波比(VSWR)和相對(duì)靈敏度等。在0．3～0．4THz頻段開展的n型硅塊響應(yīng)研究模型，即為一種電阻探測(cè)器。圖1為n型硅塊響應(yīng)研究模型整體結(jié)構(gòu)，n型硅塊(即探測(cè)器探測(cè)芯片)置于矩形波導(dǎo)寬邊中心，為矩形波導(dǎo)長(zhǎng)度，口和b分別為矩形波導(dǎo)內(nèi)橫截面的邊長(zhǎng)和邊寬，z，2和h分別為探測(cè)芯片長(zhǎng)、寬和高。考慮到研究頻段和矩形波導(dǎo)單模傳輸條件『】，選取的矩形波導(dǎo)型號(hào)為WR2．8，內(nèi)橫截面0．7112mm×0．3556mm。探測(cè)芯片橫截面如圖2所示，兩個(gè)硅塊獨(dú)立，中間為窄縫，頂部以金屬薄層短路，底

7、部一端與波導(dǎo)壁短路，另一*收稿日期：2012—09—18；修訂日期：2012—11_O6基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61231003)作者簡(jiǎn)介：王雪鋒(1979一)，男，博士研究生，工程師，主要從事微波、太赫茲波的產(chǎn)生與測(cè)量研究；7009725@qq．com。456強(qiáng)激光與粒子束第25卷端與波導(dǎo)壁絕緣并通過同軸線與外界相連，用于提供電源和測(cè)量信號(hào)輸出。layerFig．1LayoutofsensormodelFig．2Crosssectionofsensingelement圖1探測(cè)器模型整體結(jié)構(gòu)圖2探測(cè)芯片橫截面根據(jù)熱載流子效應(yīng)機(jī)理，探測(cè)芯片

8、電阻相對(duì)變化率AR／R在數(shù)值上表征了通過波導(dǎo)的太赫茲脈沖功率P，即AR／R越大，P越大，定義探測(cè)器相對(duì)靈敏度