太赫兹测试技术

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-MillimeterWave)，而光学领域则习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（从0.1THz至30THz），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。基于电子学的THz信号发生器最高频率达到1.9THz，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2AV82406C信号源输出功率图3AV82406D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谱上，信号被光电二极管接受并检测。使用飞秒激光触发的电光晶体探测器的显著特点是具有极宽的频谱响应和非常高的测量信噪比，适合于成像测量，缺点是装置比较复杂，价格昂贵。超导SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）混频检测器。SIS探测器以光子辅助隧穿机制为理论基础，探测频率范围约为0.1THz～1.2THz，需要在液氦温度下工作。此外，在室温环境下，半导体结构也是可以使用的，平面的肖特基二极管已经在2.5THz被成功应用在空间技术中。作为测试仪器的THz功率测量设备主要基于热电效应的太赫兹光功率测试探测器。图4THz12D-3S-VP功率测试系统图5ERICKSON公司PM4功率计Gentec-EO公司研制的太赫兹光功率测试探测器主要代表产品是THz12D-3S-VP探测器，该探测器基于温差电效应响应太赫兹光，探测器将光信号转换为电信号之后，通过控制器与PC机相连，在PC机上实时输出太赫兹光功率，如图4所示。频率范围达到0.1～30THz，最小测量功率为-40dBm；图5是ERICKSON公司PM4功率计，测试频率范围：80-1100GHz，功率测试范围为1uW-200mW。中国电科41所研发了基于肖特基二极管的检波式系列功率探头（如图6所示），相对热电式探头，其相应速度更快，稳定性更好，主要技术指标如表1所示。表1：中国电科41所THz功率探讨主要技术指标四、THz电磁频谱分析技术THz频谱分析大多数采用微波毫米波频谱分析仪加下混频模块来实现，早期的混频模块直接利用微波频谱分析仪的本振（一般都低于20GHz），高次谐波混频，如图7所示，其优点是：混频模块简单，体积小，方便与被测件连接，缺点是：变频损耗大，灵敏度低，在显示器中出现的假谱众多（如图8a所示），不容易识别被测信号的真实频率。图7采用高次谐波混频的THz频谱分析系统中国电科对微波频谱分析仪的本振进行多次倍频放大，降低谐波混频次数，不仅大大降低变频损耗，提高THz频谱分析系统的灵敏度，另外，中国电科41所推出了假谱识别选件，通过一键操作，可以使得显示屏上的假谱大大减少（如图8b所示），给操作者带来极大方便。图8THz测试频谱显示图五、THz网络分析仪THz矢量网络分析仪利用矢量网络分析仪主机+扩频控制机+S参数测试模块组成，原理框图如图11所示。矢量网络分析仪扩频控制机对来自微波矢量网络分析仪主机的射频与本振信号进行功率放大稳幅并功分后分别送两个S参数测试模块，射频激励信号在S参数测试模块中由多级放大倍频，产生THz信号，定向耦合器实现THz波参考信号与测试信号的分离。THz参考信号由混频器下变频为中频信号，通过矢量网络分析仪扩频控制机放大后输入至矢量网络分析仪主机作为参考中频信号和传输中频信号，完成正向中频信号的提取。主机对全部中频信号进行处理，检测出信号的幅值和相位的信息及相关比值。THzS参数测试系统实物如图12所示。该系统具有组成方式灵活、通用化较好的优点。图13和图14是中国电科41所开发的1mm矢量网络分析仪的动态范围实测曲线。图11THz矢量网络分析仪系统构成图12THz矢量网络分析仪系统照片图130.22THz矢网的动态范围指标图140.325THz矢网的动态范围指标中国电科41所推出系列化THz矢量网络分析仪最高频率可达到325GHz，动态范围达到90dB以上。1mm频段的动态范围典型测试曲线如图13和14所示。