一種太赫茲脈沖功率測量技術(shù)研究

張國強(qiáng) 張生春 雷國忠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

太赫茲(Terahertz，THz)頻段是指頻率在0.1～10THz(波長為0.03～3mm)的電磁波，處于毫米波頻段和紅外線之間，在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。太赫茲是連接宏觀電子學(xué)和微觀光子學(xué)的紐帶，在材料工程、生物醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域蘊(yùn)藏著巨大的應(yīng)用前景。但是，長期以來由于缺乏有效的太赫茲輻射產(chǎn)生和檢測方法，導(dǎo)致太赫茲頻段的電磁波未得到充分的研究和應(yīng)用，被稱為電磁波譜中的“太赫茲空隙(THz gap)”[1-2]。

隨著太赫茲應(yīng)用需求的不斷增多，太赫茲信號的檢測和測量成為人們研究的熱點(diǎn)。針對這種情況，王光強(qiáng)等采用截止波導(dǎo)濾波法與諧波混頻法相結(jié)合的方式準(zhǔn)確測定了脈沖信號頻率，利用輻射場功率密度積分法獲取了輻射脈沖的遠(yuǎn)場功率分布，并給出了單次脈沖的輻射功率[3]。鄧倩嵐等提出使用頻譜分析儀對低頻脈沖調(diào)制信號平均功率和峰值功率進(jìn)行測量的方法，并采用正弦調(diào)幅法對頻譜分析儀的測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[4]。王平等提出了一種適合于頻率步進(jìn)的脈沖峰值功率的測量方法[5]。張貴軍采用檢波方式直接測量脈沖寬度，根據(jù)測量電壓與激光脈沖功率的正比例關(guān)系，同時(shí)獲得窄脈沖半導(dǎo)體激光器的脈寬和功率[6]。

本文基于微波電子學(xué)的基本原理，通過熱電偶式功率計(jì)對太赫茲平均功率進(jìn)行測量，并結(jié)合太赫茲檢波器對脈沖參數(shù)進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了太赫茲脈沖功率的準(zhǔn)確測量。

1 測試方法

在微波和毫米波頻段，脈沖功率可以通過功率計(jì)直接測量，而在太赫茲頻段，只能對平均功率進(jìn)行測量。本文對太赫茲脈沖信號的脈寬、重復(fù)頻率和平均功率的測試方法進(jìn)行重點(diǎn)研究，形成了一種適合于太赫茲脈沖功率的測量方法。

太赫茲脈沖功率測量框圖如圖1所示，太赫茲脈沖振蕩器在外部脈沖及直流信號的激勵(lì)下產(chǎn)生的太赫茲信號，通過波導(dǎo)與定向耦合器相連，直通信號通過波導(dǎo)與功率計(jì)直接相連顯示平均功率，耦合信號通過波導(dǎo)與檢波器相連后，檢波信號通過電纜連接在示波器上顯示脈沖寬度和重復(fù)頻率。

圖1 太赫茲脈沖功率測量框圖

在測得脈沖振蕩器的平均功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率之后，脈沖功率可以通過公式(1)計(jì)算得到

(1)

式(1)中：

P0——輸出信號平均功率，單位為瓦(W)；

tw—— 輸出信號脈沖寬度，單位為秒(s)；

PRF—— 輸出信號脈沖重復(fù)頻率，單位為赫茲(Hz)。

1.1 脈沖寬度和重復(fù)頻率測量

太赫茲脈沖寬度和重復(fù)頻率可以通過檢波器+示波器進(jìn)行測量。在太赫茲信號測量中，不能直接采用示波器進(jìn)行時(shí)域脈寬測量，必須通過檢波器將太赫茲信號轉(zhuǎn)換為電平信號，然后在示波器上進(jìn)行脈沖寬度及重復(fù)頻率測量。

在太赫茲脈沖寬度和重復(fù)頻率測量中，選用的檢波器是反向電壓檢測器，檢波頻率范圍為220～325GHz，靈敏度1500V/W，采樣率5GSa/S，輸入接口形式為WR-03，UG387法蘭，輸出為SMA接口。在測量過程中，將檢波器的輸入波導(dǎo)口與測試信號相連，檢波輸出口通過射頻電纜與示波器相連，檢波信號直接進(jìn)入示波器輸入端，在屏幕上顯視超高頻輸出脈沖的包絡(luò)。太赫茲檢波包絡(luò)如圖2所示，在檢波信號包絡(luò)幅度3dB電平處測量脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率通過示波器直接測量。

圖2 太赫茲檢波包絡(luò)

1.2 平均功率測量

在脈沖功率測量中，通常有熱電耦式和二極管檢波式兩種方式。測試方式的選取主要取決于功率探頭，其中，熱電耦式功率探頭只能對平均功率進(jìn)行測量，二極管檢波式功率探頭可以對脈沖功率進(jìn)行測量。目前，受限于二極管檢波技術(shù)水平，對于40GHz以下的功率信號可以通過脈沖式功率計(jì)進(jìn)行直接測量，對于40GHz以上功率信號，只能采用熱電偶式功率計(jì)進(jìn)行平均功率測量。

在太赫茲脈沖功率測量中，平均功率可以通過功率計(jì)進(jìn)行測量，選用的功率計(jì)測量頻率范圍為220～325GHz，功率范圍為1μW～200mW。功率計(jì)由主機(jī)和探頭擴(kuò)頻附件兩部分組成，主機(jī)頻率可以達(dá)到110GHz，接口形式為WR-10，UG387法蘭，擴(kuò)頻附件是一段長度為25.4mm的漸變波導(dǎo)，該漸變波導(dǎo)將接口形式由WR-10轉(zhuǎn)換為WR-03標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口，從而將測試頻率擴(kuò)展至325GHz。

在平均功率測量過程中，擴(kuò)展附近的一端波導(dǎo)口與功率計(jì)主機(jī)相連，另一端波導(dǎo)口與測試信號的輸出口相連，將轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的校準(zhǔn)因子輸入功率計(jì)主機(jī)，則功率計(jì)直接顯示測試信號的平均功率。

2 測量誤差分析及校準(zhǔn)

測量誤差按來源特性可分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。在實(shí)際計(jì)量測試中，對一個(gè)被測量來說，往往可能有多種因素引入若干項(xiàng)誤差，應(yīng)將所有誤差合理地合成起來。比較常見的測量誤差合成方法有四種：分別為代數(shù)和法、絕對值和法、方和根法以及廣義方和根法。其中，方和根法充分考慮了各項(xiàng)誤差之間的抵償，對隨機(jī)性的誤差，較為合理，也比較簡單。

在通常的誤差分析中，各項(xiàng)誤差往往都可看成是不相關(guān)的，即相互獨(dú)立的。系統(tǒng)的誤差可以通過公式(2)計(jì)算得出

(2)

式(2)中，σi為分項(xiàng)誤差；n為誤差項(xiàng)數(shù)。

在太赫茲信號平均功率、檢波脈寬及重復(fù)頻率測試過程中，根據(jù)前述測量誤差計(jì)算方法，通過方和根法及公式(2)，可以得出太赫茲脈沖功率總的測量誤差為

(3)

其中，σp—輸出信號平均功率相對測量誤差；

στ—輸出信號脈沖寬度相對測量誤差；

σPRF—輸出信號重復(fù)頻率相對測量誤差。

公式(3)中的平均功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率的測量誤差主要由測試儀表決定，對于功率計(jì)相對測量誤差為±5%，對于示波器在最佳設(shè)置下相對測量誤差為±3%，則太赫茲脈沖信號功率測量總的相對誤差等于±6.5%。

在太赫茲信號測量過程中，測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)效果會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。通常情況下，測量系統(tǒng)校準(zhǔn)可以采用兩種方法：一種是采用標(biāo)準(zhǔn)太赫茲信號源饋入測量系統(tǒng)，在功率計(jì)上讀取輸出功率，兩者的差值就是系統(tǒng)的損耗，該種校準(zhǔn)方法適合于標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號較大，經(jīng)過測量系統(tǒng)后的信號功率處于功率計(jì)的線性區(qū)；另一種方法是采用標(biāo)準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，將測量系統(tǒng)接入矢網(wǎng)的輸入、輸出端口，通過測量鏈路的插損得到系統(tǒng)的損耗，該種校準(zhǔn)方法適合于有帶寬測試需求，校準(zhǔn)精度相對較高。同時(shí)，在測量過程中，為了減小端口失配對測量結(jié)果的影響，可以在待測信號的輸出端口增加隔離器，改善端口駐波，提高測試精度。

3 結(jié)束語

本文對太赫茲脈沖功率測量方法進(jìn)行重點(diǎn)研究，驗(yàn)證了一種通過測量太赫茲檢波脈沖寬度、重復(fù)頻率和平均功率，實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖功率測量方法的可行性，可以作為太赫茲脈沖功率測量的工程應(yīng)用參考。