太赫茲反射面天線測(cè)試方法綜述

秦順友

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

THz波是指工作頻率在0.1～10 THz、波長在3 mm～30 μm的電磁波，位于紅外和微波之間。太赫茲頻段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)發(fā)展比較成熟，但是人們對(duì)THz波的認(rèn)識(shí)非常有限，形成所謂“THz Gap”，因此THz波譜不僅具有豐富的科學(xué)內(nèi)容[1]，而且具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

近年來，隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太赫茲在空間遙感探測(cè)[3]、空間射電望遠(yuǎn)鏡[4]、便攜式亞毫米波望遠(yuǎn)鏡[5]和地面亞毫米波望遠(yuǎn)鏡[6]等已獲得實(shí)際應(yīng)用。例如2009年歐洲宇航局(ESA)利用同一火箭同時(shí)發(fā)射了Herschel望遠(yuǎn)鏡和Planck望遠(yuǎn)鏡[4]。這2個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡分別采用了具有高增益的3.5 m卡塞格倫天線和1.5 m偏軸反射面天線，觀測(cè)頻率范圍分別為448 GHz～5.3 THz和30～857 GHz。

天線作為發(fā)射和接收電磁波的部件，它為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)與傳播無線電波的媒質(zhì)之間提供所需要的耦合。當(dāng)反射面天線工作頻率上升到太赫茲頻段時(shí)，設(shè)計(jì)具有高增益低噪聲的反射面天線，不僅加工工藝和制造技術(shù)極其困難，而且天線性能調(diào)試和驗(yàn)證測(cè)試同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)[7]。本文系統(tǒng)總結(jié)了傳統(tǒng)的反射面天線電性能的測(cè)量技術(shù)，論述了在太赫茲頻段反射面天線測(cè)量中，各種天線測(cè)量技術(shù)的可行性及其局限性。

1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是天線性能測(cè)試的常用測(cè)量方法，可細(xì)分為室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)和室外遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量天線的基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量原理

遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量的首要條件是：收發(fā)天線之間的測(cè)試距離應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，

(1)

式中，R為收發(fā)天線之間的距離；D為待測(cè)天線的最大尺寸；λ為工作波長。

典型口徑天線在太赫茲頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離如表1所示。

表1 典型口徑天線在太赫茲頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離 (km)

D/m0.3 THz0.5 THz1 THz5 THz10 THz0.30.180.300.603.006.000.50.500.831.708.3016.701.02.003.306.7033.3066.701.54.507.5015.0075.00150.002.08.0013.3026.70133.30266.703.018.0030.0060.00300.00600.00

眾所周知，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量可分為室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量和室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。在太赫茲頻段，文獻(xiàn)[8]報(bào)導(dǎo)了室內(nèi)太赫茲天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備覆蓋頻率200 GHz～1.1 THz，分為220～325 GHz，325～500 GHz，500～750 GHz，750～1 100 GHz四個(gè)頻段，THz天線測(cè)量平臺(tái)占用空間1.1 m×1 m×0.59 m，功率發(fā)射模塊和接收模塊之間的最大測(cè)試距離159 mm，如圖2所示。因此可見該系統(tǒng)只可測(cè)量電尺寸非常小的THz天線。由表1計(jì)算的典型口徑天線在太赫茲頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離可知，哪怕口徑30 cm，頻率300 GHz的反射面天線，其遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離需要180 m，故室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量太赫茲頻段高增益反射面天線是很難滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件。

綜上所述,對(duì)醫(yī)院的臨床護(hù)士實(shí)行績效考核管理,對(duì)提高自我管理能力、護(hù)士服務(wù)質(zhì)量以及提高護(hù)理滿意度方面有著極其重要的意義,而服務(wù)質(zhì)量提高了,護(hù)理中不良事件的發(fā)生率也就降低了。因此,此種績效考核管理辦法值更多的醫(yī)院推廣和借鑒。

圖2 室內(nèi)THz遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

對(duì)于天線室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)，一般遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離小于10 km或10 km左右的測(cè)試場(chǎng)還是可以實(shí)現(xiàn)的，表1標(biāo)注了遠(yuǎn)場(chǎng)可測(cè)量THz天線口徑和頻率。但是在太赫茲頻段，僅考慮天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件是不夠的，因?yàn)樘掌澆ㄍㄟ^大氣傳播時(shí)，受大氣壓力、大氣溫度和水蒸氣密度的影響，大氣引起的衰減是非常巨大的[9]。太赫茲標(biāo)準(zhǔn)大氣天頂方向的大氣衰減曲線如圖3所示。

圖3 太赫茲標(biāo)準(zhǔn)大氣天頂方向的大氣衰減曲線

太赫茲波在自由空間傳播中，自由空間衰減也很大，而且太赫茲頻段發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的可用信號(hào)功率又非常的小，使太赫茲天線測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍很小，很難滿足高增益反射面天線測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍要求。另外大氣溫度和濕度的變化導(dǎo)致太赫茲信號(hào)測(cè)量失真，從而引起天線性能的測(cè)量誤差。因此，天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離要求及大氣對(duì)太赫茲波的傳播影響將成為THz反射面天線測(cè)量的瓶頸。如果所測(cè)量的太赫茲反射面天線具有低副瓣特性，那么所要求的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離比2D2/λ更大[10]。因此在一般大氣環(huán)境條件下，采用常規(guī)的室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試THz反射面天線性能幾乎是不可行的。但是亞毫米波望遠(yuǎn)鏡已成功應(yīng)用于天文觀測(cè)[11]，例如JCMT望遠(yuǎn)鏡(口徑15 m，位于夏威夷Mauna Kea)、德國KOSMA望遠(yuǎn)鏡(口徑3 m，現(xiàn)已遷移至中國西藏羊八井)、南極的ASTRO望遠(yuǎn)鏡(口徑1.5 m)和SST望遠(yuǎn)鏡(天線口徑1.5 m，位于EI Leoecito)等。這些亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的安裝站址均為高原地區(qū)，空氣稀薄干燥，滿足亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)條件[12]。由國際電信聯(lián)盟Rec.ITU-R P.676-6可知：在0.1～10 THz的太赫茲頻段內(nèi)，干燥大氣衰減遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣的衰減[9]。由此可見，在滿足亞毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)條件的地區(qū)，且收發(fā)天線之間距離可滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，建立太赫茲反射面天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)是切實(shí)可行的。如SST望遠(yuǎn)鏡，在EI Leoecito望遠(yuǎn)鏡的安裝現(xiàn)場(chǎng)建立太赫茲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了1.5 m天線在405 GHz的性能測(cè)試，太陽亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡SST的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)照片如圖4所示[10]。

圖4 太陽亞毫米波望遠(yuǎn)鏡SST的THz遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)

綜上所述，一般大氣條件下，常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)測(cè)量THz反射面天線幾乎是不可行的，但是在滿足THz望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)大氣條件下[12]，建立滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件的場(chǎng)地是切實(shí)可行的，但是目前世界上可用于THz射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)臺(tái)址是很少的，且大口徑太赫茲反射面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量很難滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件。

2 近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

天線近場(chǎng)測(cè)量指的是用一個(gè)性能已知的探頭在天線輻射近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，采集待測(cè)天線近場(chǎng)區(qū)的幅度和相位數(shù)據(jù)，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換計(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)特性。天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)常建在微波暗室內(nèi)，測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度可以得到很好的控制，大氣的影響相對(duì)較小。依據(jù)近場(chǎng)測(cè)量探頭掃描面的不同，又可分為平面、柱面和球面近場(chǎng)測(cè)量，如圖5所示。

圖5 天線近場(chǎng)測(cè)量方法

平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)非常適合高增益天線的性能測(cè)量[13]。在平面近場(chǎng)測(cè)量中，探頭與待測(cè)天線之間距離為3λ～10λ。近場(chǎng)探頭掃描面的大小，應(yīng)保證掃描面的邊緣電平低得可以忽略不計(jì)，它與近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、預(yù)計(jì)變換遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的角度范圍和測(cè)量精度有關(guān)，一般應(yīng)使近場(chǎng)掃描面截?cái)嗵幍男盘?hào)電平比中心部位的信號(hào)電平低30～40 dB，對(duì)于高增益太赫茲反射面天線，近場(chǎng)的掃描面比待測(cè)天線口徑稍大即可[14]；另外，平面近場(chǎng)測(cè)量的采樣間隔滿足傅里葉變換理論中的奈奎斯特定理，即XY平面內(nèi)的采樣間隔Δx和Δy應(yīng)滿足：

(2)

例如當(dāng)工作頻率為650 GHz時(shí)，平面近場(chǎng)掃描的采樣間隔小于或等于0.23 mm，顯然太赫茲近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的掃描探頭的機(jī)械定位精度要求很高，且測(cè)量探頭采集天線近場(chǎng)幅度和相位的數(shù)據(jù)量十分巨大。假設(shè)待測(cè)反射面天線口徑為1.5 m，工作頻率為650 GHz，采樣區(qū)域?yàn)? m×2 m，平面近場(chǎng)測(cè)量采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為8 697×8 697，如果近場(chǎng)掃描探頭采集數(shù)據(jù)的速度是10個(gè)/s數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么完成2 m×2 m的掃描面的近場(chǎng)幅度和相位數(shù)據(jù)采集，需要時(shí)間為87.5 d。顯然，完成這些近場(chǎng)數(shù)據(jù)的精確采集，無疑要求太赫茲近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精準(zhǔn)度都非常高。

在太赫茲平面近場(chǎng)掃描測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試過程中射頻電纜的抖動(dòng)、彎曲等將會(huì)引起很大的相位測(cè)量誤差，為了精確計(jì)算天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性，必須采用相位校正技術(shù)，減少相位測(cè)量誤差，提高近場(chǎng)測(cè)量精度。如J.Tuovinen提出了用雙電纜法來減少電纜引起的相位測(cè)量誤差[15]；J.Saily提出了在平面近場(chǎng)測(cè)試中，基于導(dǎo)頻信號(hào)的微波電纜彎曲的相位誤差實(shí)時(shí)測(cè)量和校正[16]；D.Hess提出了三電纜方法來補(bǔ)償電纜引起的相位變化[17]?？傊?，通過對(duì)近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中同軸電纜設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)探頭掃描時(shí)的電纜彎曲引起相位誤差進(jìn)行修正處理，可以將近場(chǎng)測(cè)量的相位誤差降低到可接受的范圍。

NASA建造了應(yīng)用于亞毫米波天文衛(wèi)星(SWAS)上的射電天文望遠(yuǎn)鏡測(cè)試的550 GHz平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[18]，如圖6所示。該系統(tǒng)掃描架為0.8 m×0.8 m，掃描器的平面度15 μm(rms)，近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)相位測(cè)量精度要求為15 μm(rms)。系統(tǒng)由3個(gè)特殊的旋轉(zhuǎn)接頭互相連接的雙機(jī)械臂，來滿足1.2 μm的均方根路徑場(chǎng)穩(wěn)定的性能要求。

圖6 550 GHz近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)掃描器

在太赫茲平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中，必須解決電纜彎曲引起的相位測(cè)量誤差、熱補(bǔ)償技術(shù)來降低這種熱量導(dǎo)致的誤差和掃描探頭的高精度機(jī)械定位等技術(shù)難題。建立太赫茲平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)非常昂貴，技術(shù)難度大，測(cè)試周期長。采用太赫茲近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量高增益反射面天線方向圖寬角特性是很難的，但如果只關(guān)注天線方向圖的主波束特性和近旁瓣特性，平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是切實(shí)可行的。目前NSI公司研制的太赫茲平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)頻率已達(dá)到950 GHz[19]，如圖7所示。該近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的掃描區(qū)域?yàn)?.9 m×0.9 m，掃描平面度達(dá)到20 μm；NSI研制的太赫茲平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的最大掃描架尺寸為2.4 m×2.4 m，測(cè)試系統(tǒng)的工作頻率118～ 660 GHz，NSI公司研制的2.4 m×2.4 m太赫茲掃描架[19]如圖8所示。

圖7 NSI公司的950 GHz平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

圖8 NSI公司研制的2.4 m×2.4 m太赫茲掃描架

3 緊縮場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

緊縮測(cè)試場(chǎng)是一種在近距離內(nèi)，利用一種校正單元將饋源喇叭輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǖ臏y(cè)試設(shè)備。緊縮場(chǎng)的工作原理示意圖如圖9所示。

圖9 緊縮場(chǎng)工作原理

緊縮場(chǎng)所產(chǎn)生平面波區(qū)域稱為緊縮場(chǎng)的靜區(qū)，待測(cè)天線安裝在緊縮場(chǎng)的靜區(qū)內(nèi)，可直接對(duì)待測(cè)天線的方向圖、天線增益和交叉極化等遠(yuǎn)場(chǎng)電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。緊縮場(chǎng)可建立在微波暗室內(nèi)，測(cè)量方法和程序同傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量一樣簡單方便，非常適合毫米波、亞毫米波及太赫茲頻段的反射面天線測(cè)量。在緊縮場(chǎng)的靜區(qū)內(nèi)，一般要求緊縮場(chǎng)幅度起伏度小于1 dB，相位起伏度小于10°。依據(jù)緊縮場(chǎng)采用不同的校正單元，緊縮場(chǎng)可細(xì)分為反射面緊縮場(chǎng)、透鏡緊縮場(chǎng)和全息緊縮場(chǎng)。

3.1 反射面緊縮場(chǎng)技術(shù)

反射面緊縮場(chǎng)的校正單元是反射面，它是利用饋源發(fā)射球面波，通過1個(gè)或多個(gè)反射面形成平面波。依據(jù)反射面的多少，反射面緊縮場(chǎng)可分為單反射面緊縮場(chǎng)、雙反射面緊縮場(chǎng)和三反射面緊縮場(chǎng)。典型的單反射面緊縮場(chǎng)原理示意圖如圖10所示。

圖10 單反射面緊縮場(chǎng)工作原理

單反射面緊縮場(chǎng)的缺點(diǎn)是反射面口面利用率低，靜區(qū)尺寸約為反射面直徑的30%；另外，單反射面緊縮場(chǎng)靜區(qū)交叉極化性能不好，一般約為-30 dB[20]。雙反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)一般由一個(gè)饋源、一個(gè)雙曲面的副反射面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面的主反射面組成，與單反射面緊縮場(chǎng)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是改善緊縮場(chǎng)靜區(qū)的交叉極化性能，雙反射面緊縮場(chǎng)的靜區(qū)交叉極化可達(dá)到-40 dB或者更低[20]，且提高了緊縮場(chǎng)靜區(qū)利用率。三反射面緊縮場(chǎng)是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主反射面和2個(gè)賦形副反射面組成的[21]，與單反射面和雙反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)相比，三反射面緊縮場(chǎng)可以獲得很高的靜區(qū)利用率，一般約為主反射面直徑的70%～75%。

在反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，降低緊縮場(chǎng)反射面的邊緣照射電平是很重要的，因?yàn)榫o縮場(chǎng)反射面的邊緣衍射會(huì)造成靜區(qū)的失真。目前減少緊縮場(chǎng)反射面邊緣繞射措施有：緊縮場(chǎng)饋源使用同軸扼流槽波導(dǎo)照射器，降低邊緣照射電平；緊縮場(chǎng)反射面的邊緣采用鋸齒狀邊緣或卷曲邊緣來減少繞射[22]，改善靜區(qū)性能。

反射面緊縮場(chǎng)的工作頻帶一般很寬，緊縮場(chǎng)反射面的表面精度決定其上限工作頻率，緊縮場(chǎng)反射面的邊緣繞射確定了其下限工作頻率。目前微波毫米波緊縮場(chǎng)已獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，對(duì)于亞毫米波乃至太赫茲頻段，緊縮場(chǎng)的性能就受較高的反射面表面公差要求的制約。緊縮場(chǎng)的反射面表面公差的均方根誤差一般要求為百分之一個(gè)波長。如頻率為1 THz時(shí)，波長為300 μm，則反射面的表面公差要求為3 μm，反射面的高精度機(jī)械制造十分困難，且高精度要求必然帶來高昂的制造費(fèi)用。由此看出：緊縮場(chǎng)反射面的高精度加工制造使得反射面緊縮場(chǎng)的應(yīng)用受到限制。

目前，在太赫茲頻段，獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用的有美國NSI-MI公司和德國Astrium公司的反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)。NSI-MI公司典型產(chǎn)品為單反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)，緊縮場(chǎng)的靜區(qū)尺寸最大可達(dá)到11.5 m，頻率覆蓋范圍1～200 GHz，其反射面邊緣采用鋸齒邊或卷邊，常見的NSI-MI緊縮場(chǎng)系統(tǒng)的反射面形狀如圖11所示[23]。

圖11 常見的NSI-MI緊縮場(chǎng)系統(tǒng)反射面形狀

德國Astrium公司主導(dǎo)產(chǎn)品為單反射面和雙反射面緊縮場(chǎng)，靜區(qū)尺寸覆蓋1～ 30 m，頻率覆蓋范圍0.5～500 GHz。例如Astrium公司的CCR 75/60雙反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)如圖12所示，工作頻率范圍1.5～500 GHz，反射面的表面精度20 μm，緊縮場(chǎng)靜區(qū)尺寸為5 m[24]。

圖12 Astrium公司的CCR75/60緊縮場(chǎng)系統(tǒng)

關(guān)于太赫茲三反射面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[25]報(bào)導(dǎo)了卡塞格倫—格雷戈里三反射面太赫茲緊縮場(chǎng)系統(tǒng)如圖13所示，該系統(tǒng)最高工作頻率325 GHz，測(cè)試靜區(qū)達(dá)到70 cm。

圖13 三反射面緊縮場(chǎng)實(shí)物照片及原理

總之，目前實(shí)用反射面緊縮場(chǎng)最高頻率可達(dá)500 GHz，隨著測(cè)試頻率提高，反射面的表面精度難以保證，且加工制造成本非常昂貴，從而成為反射面緊縮場(chǎng)向更高頻率發(fā)展的瓶頸。

3.2 透鏡緊縮場(chǎng)技術(shù)

圖14 透鏡緊縮場(chǎng)原理示意

透鏡緊縮場(chǎng)雖然在一定程度上克服了反射面緊縮表面公差要求高的問題，但是隨著透鏡材料的介電常數(shù)的降低，大大增加了透鏡的厚度。如透鏡材料的介電常數(shù)為1.1，透鏡焦距長度與透鏡直徑比為3時(shí)，泡沫透鏡厚度將略小于透鏡的直徑。隨著透鏡介電常數(shù)從1.1下降，透鏡厚度迅速增加，那么泡沫透鏡的制作非常困難[27]。

由于透鏡介電常數(shù)降低將大大增加介質(zhì)厚度以及透鏡介質(zhì)材料的選擇問題，很難找到介電常數(shù)很小、介質(zhì)均勻且高各向同性的材料。另外由于反射面緊縮場(chǎng)在微波毫米波頻段領(lǐng)域應(yīng)用很好，故透鏡緊縮場(chǎng)并沒有得到廣泛應(yīng)用。透鏡緊縮場(chǎng)用于天線性能測(cè)量的頻率可達(dá)94 GHz[28]和110 GHz[29]。

3.3 全息緊縮場(chǎng)技術(shù)

全息緊縮場(chǎng)是芬蘭阿爾托大學(xué)1992年提出的一種緊縮場(chǎng)天線測(cè)試方法[30]。全息緊縮場(chǎng)工作原理圖如圖15所示，當(dāng)頻率高于200 GHz時(shí)，全息緊縮場(chǎng)成為很好的選擇，雖然全息緊縮場(chǎng)極化單一，頻段較窄，但制作成本不高，加工制造方面。目前全息緊縮場(chǎng)40～650 GHz頻率范圍內(nèi)已獲得了成功應(yīng)用。650 GHz全息緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖16所示[31]。

圖15 全息緊縮場(chǎng)測(cè)試原理

圖16 650 GHz全息緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

全息緊縮場(chǎng)利用一個(gè)全息光柵板作為校正單元[32]。全息光柵板對(duì)饋源喇叭發(fā)射的球面波進(jìn)行調(diào)制，在靜區(qū)上生成的平面波。饋源喇叭發(fā)射的球面波和靜區(qū)平面波生成全息圖。為了分離靜區(qū)平面波和其他電磁波，靜區(qū)平面波的傳播方向偏離全息光柵板法向33°角，防止干擾信號(hào)影響靜區(qū)性能[33]。

全息緊縮場(chǎng)的全息光柵板是用蝕刻工藝將金屬微帶賦形到介質(zhì)薄膜上，其加工工藝簡單，制造成本低，表面精度不像反射面那樣苛刻[34]。另外，全息光柵板易于固定，確保全息光柵板的平面度。由此可見：全息緊縮場(chǎng)在構(gòu)建太赫茲緊縮場(chǎng)方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。但由于全息緊縮場(chǎng)的頻段較窄，以及大尺寸全息光柵板難以精確制造等原因，限制了全息緊縮場(chǎng)的應(yīng)用。對(duì)于未來空間科學(xué)研究來講，尤其是當(dāng)工作頻率超過1 000 GHz時(shí)，反射面緊縮場(chǎng)極其昂貴，且很難滿足表面精度要求，那么全息緊縮場(chǎng)顯示出巨大的潛力。

4 結(jié)束語

天線測(cè)量常用方法有遠(yuǎn)場(chǎng)法、近場(chǎng)法和緊縮場(chǎng)法，不同的方法有其各自優(yōu)缺點(diǎn)，選擇一個(gè)合適的測(cè)量方法對(duì)于精確測(cè)量天線性能和正確表征天線特性是非常重的。

當(dāng)天線工作于THz頻段時(shí)，由于受遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離的限制和大氣傳播衰減的影響，以及太赫茲信號(hào)微弱，且自由空間傳播損耗大等，一般大氣條件下，室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法不再適用，但是在高原、空氣干燥的地區(qū)，建立太赫茲天線室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)是切實(shí)可行的；目前平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在太赫茲天線測(cè)量中獲得了實(shí)際應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了最高的測(cè)試頻率，但是近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)要求高精度探頭定位，精確的相位測(cè)量與修正，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性要求非常高，因此建立近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)非常復(fù)雜，成本十分昂貴；緊縮場(chǎng)測(cè)量天線性能簡單方便，獲得了廣泛應(yīng)用。目前透鏡緊縮場(chǎng)基本被淘汰，但是反射面緊縮場(chǎng)的反射面表面制造精度要求制約其向更高測(cè)試頻段發(fā)展，而全息緊縮場(chǎng)中全息光柵板比較容易制造且成本很低，顯示出了在太赫茲波段構(gòu)建高性價(jià)比緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)方面的巨大潛力。

總之，對(duì)于太赫茲反射面測(cè)量，考慮到測(cè)試技術(shù)復(fù)雜程度和測(cè)試系統(tǒng)搭建費(fèi)用等因素，相比較而言，基于全息的緊縮場(chǎng)最為簡單易行，特別是當(dāng)工作頻率在1 000 GHz以上，更顯示出全息緊縮場(chǎng)的巨大潛力。