文档介绍：太赫兹测试技术
来源:中国电子科技集团公司第四十一研究所
摘要:本文主要介绍基于毫米波向上扩展方式的THz测试技术,主要包括 THz 信号发生、THz 信号功率和频谱检测及矢量网络分析等相关仪器的实现方案和目前国内外达到的主要技术指标。
关键词:太赫兹(THz),测试与测量,仪器
一、引言
THz(TeraHertz)频段是指频率从十分之几到十几个THz,介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域,又称T射线(Terahertz-Ray),是电子学与光学的交界处,无线电物理领域称其为亚毫米波(SMMW,Sub-Millimeter Wave),而光学领域则****惯称之为远红外辐射(FIR,Far-Infra-Red),长期以来,由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法,人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。THz电磁波及其应用技术已经成为科学界的“热点”领域。它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
测试与测量技术是科学研究的基础,THz测试与测量仪器设备因技术难度大,发展相对缓慢,造成了THz技术研究相对滞后。在THz测试技术中首先要解决的是THz电磁信号的发生技术、THz电磁信号的频率和功率检测技术,并以此为基础的大动态网络参数测试技术,这也是THz技术研究领域的最前沿问题。
THz信号的发生和接收有两种发展方向,一种是从红外往下扩展,一种是从毫米波向上扩展,一般红外向下扩展方式产生的THz信号具有输出功率高、频率高的特点,但是分辨率较低;毫米波向上扩展方式产生的THz信号输出功率小,频率上限也稍低,但是分辨率高,本文主要讨论的是基于毫米波向上扩展方式的THz测试技术,因此内容主要涉及到THz的频率低端。
二、THz 电磁波信号的产生技术
图1 中国电科41所THz倍频源
测试仪器的THz电磁波信号产生,一般分为基于光子学的THz信号发生方法和电子学的THz信号发生方法。基于光子学的方法有:自由电子激光器、电光晶体THz脉冲源、瞬时光电导产生THz电磁脉冲等。基于光子学的THz信号发生器,具有频带宽(),输出功率较大(连续波输出功率可达到百毫瓦量级)的特性,但频率分辨率相对较低(GHz到MHz量级);
基于电子学的THz信号发生器主要包括返波管直接基波振荡器和基于微波信号发生的肖特基二极管倍频器。,返波管基波振荡器输出功率达到毫瓦量级,输出频谱纯度高(杂散可达到-60dBc);基于微波信号发生器,通过肖特基二极管倍频的THz信号源,输出功率相对较小(与同频段返波管小10dB左右),但其具有体积小,结构紧凑,使用方便等优势。图1是中国电科41所基于倍频方案的THz 信号发生器实物图,图2和图3是1mm频段倍频源典型输出功率实测曲线。
图2 AV82406C信号源输出功率
图3 AV82406D信号源输出功率
三、THz 电磁波信号的检测技术
THz电磁波信号的检测主要方法有:用飞秒激光取样的电光晶体探测器。探测光束在Pockels 效应下被THz脉冲电场调制,同时THz时域波形被复制到展宽的探测光频域