用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭、探測系統(tǒng)及探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭、探測系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的探測方法，所述準(zhǔn)光型探頭設(shè)置在接收機(jī)之前,包括一塊金屬屏和一透鏡,金屬屏中心開有直徑為D的小孔,金屬屏的厚度t小于所述小孔的直徑D，小孔外區(qū)域覆有吸波材料，且屏面面積不小于設(shè)定掃描的近場范圍;所述透鏡與金屬屏平行放置,透鏡中心與金屬屏小孔的中軸線位于同一直線上,且透鏡前后的準(zhǔn)光學(xué)焦點分別落在金屬屏小孔和接收機(jī)的天線口面上。本發(fā)明探頭具有低損耗、易加工的優(yōu)點，并能與熱電子混頻超導(dǎo)接收機(jī)配合使用，實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的太赫茲近場測量。
【專利說明】用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭、探測系統(tǒng)及探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于太赫茲頻段(含毫米波、亞毫米波波段)近場測量中的準(zhǔn)光型探頭、探測系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的探測方法，屬于太赫茲測量技術(shù)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近場測量技術(shù)是電磁場場形測量中的重要方法，已被廣泛應(yīng)用于天線輻射特性測量、反射面全息測量、微波毫米波成像系統(tǒng)以及準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域。相對于遠(yuǎn)場測量技術(shù)，近場測量的優(yōu)勢在于測量系統(tǒng)架構(gòu)更為緊湊，成本更低，測量信噪比更高，并且通過一次測量就可獲取不同測量距離上的近場分布以及全方位角內(nèi)的遠(yuǎn)場分布。
[0003]近場測量中，對待測場分布進(jìn)行感知和捕獲的微小接收元件稱為探頭。為了提高測量的精度和分辨率，探頭接收口面的物理尺寸要求足夠小，通常遠(yuǎn)小于待測輻射源的口面尺寸。在微波和毫米波近場測量系統(tǒng)中，通常采用開口波導(dǎo)型的探頭。這種類型的探頭利用矩形波導(dǎo)的開口截面來感應(yīng)射頻電磁信號，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但到了頻率更高的亞毫米波和太赫茲頻段，波導(dǎo)尺寸變?yōu)閬喓撩琢考?，波?dǎo)結(jié)構(gòu)的精密加工變得更加困難。同時隨著金屬損耗在高頻的顯著增長，波導(dǎo)器件在亞毫米波和太赫茲頻段的損耗也較高，在一定程度上影響測量系統(tǒng)的性能。更為重要的是在太赫茲頻段，半導(dǎo)體接收機(jī)的探測靈敏度常常不滿足測試需要，因此在該頻段常常需要采用超導(dǎo)接收機(jī)，接收機(jī)的探測器置于密閉的低溫杜瓦內(nèi)，通過準(zhǔn)光型的透鏡天線實現(xiàn)與外部電磁信號耦合。在這種接收機(jī)配置條件下，波導(dǎo)型的近場探頭已經(jīng)不再適用，需要為其配備相應(yīng)的準(zhǔn)光型的探頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，本發(fā)明提出了一種用于太赫茲頻段(含毫米波、亞毫米波波段)近場測量中的準(zhǔn)光型探頭，能與熱電子混頻(HEB)超導(dǎo)接收機(jī)配合使用，實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的太赫茲近場測量。
[0005]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0006]一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，設(shè)置在接收機(jī)之前，其特征在于，包括:
[0007]—金屬屏，金屬屏中心開有直徑為D的小孔，厚度t小于所述小孔的直徑D，小孔外的區(qū)域覆有吸波材料，屏面面積不小于設(shè)定掃描的近場范圍；
[0008]一透鏡，所述透鏡與金屬屏平行放置，透鏡中心與金屬屏小孔的中軸線位于同一直線上，且透鏡前后的準(zhǔn)光學(xué)焦點(束腰)分別落在金屬屏小孔和接收機(jī)的天線口面上。
[0009]所述小孔的直徑可以選定為2?5 λ，λ為待測輻射源的波長，為設(shè)定值。在該區(qū)間內(nèi)，較小的孔徑可以實現(xiàn)較高的空間分辨率，而較大的孔徑有利于實現(xiàn)較高的探測靈敏度和信噪比。
[0010]作為優(yōu)選，所述吸波材料可選擇損耗系數(shù)不小于100dB/Cm (厚度)的吸收材料，如
高損耗硅膠薄膜等。[0011]作為優(yōu)選，所述透鏡為HDPE(高密度聚乙烯)透鏡。在太赫茲的近場測量中，上述準(zhǔn)光型探頭與超導(dǎo)接收機(jī)、二維平面掃描支架配合使用，構(gòu)成了整體探測系統(tǒng)，具體方案如下:
[0012]一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探測系統(tǒng)，其特征在于，包括以下組成構(gòu)件:
[0013]二維平面掃描支架，包括固定待測輻射源的平臺和控制平臺在二維平面X軸和Y軸向上位移的移動裝置；
[0014]上述的準(zhǔn)光型探頭，所述準(zhǔn)光型探頭的金屬屏與二維平面掃描支架的二維平面相平行；
[0015]熱電子混頻(HEB )超導(dǎo)接收機(jī)，接收機(jī)天線的中心與探頭透鏡中心、金屬屏小孔的中軸線在同一直線上。
[0016]為了實現(xiàn)探頭透鏡與金屬屏小孔之間的最大準(zhǔn)光學(xué)耦合，所述透鏡在小孔上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑W1應(yīng)滿足W1?D/3，優(yōu)選W1=0.34D。
[0017]作為優(yōu)選，所述超導(dǎo)接收機(jī)的天線可采用透鏡天線。如接收機(jī)天線為硅透鏡天線，為了實現(xiàn)探頭透鏡與硅透鏡天線之間的最大準(zhǔn)光學(xué)耦合，探頭透鏡位于天線口面上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑W2應(yīng)滿足W2?0.4DA，優(yōu)選W2=0.4DA，上式中，Da為透鏡天線的口面直徑。
[0018]一種用于太赫茲場形測量的探測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0019]I)將設(shè)定波長的待測輻射源固定在二維平面掃描支架上，在需要測量近場分布的平面上放置中心開小孔的金屬屏，使金屬屏與所述二維平面掃描支架的二維平面保持平行；
[0020]2)在與待測輻射源相對的金屬屏的另一側(cè)依次放置HDPE透鏡和采用硅透鏡天線的超導(dǎo)接收機(jī)，并使HDPE透鏡兩側(cè)的準(zhǔn)光學(xué)焦點分別落在金屬屏小孔和接收機(jī)的硅透鏡天線口面上；
[0021]3)利用超導(dǎo)接收機(jī)讀出信號強度，根據(jù)信號強度來調(diào)整金屬屏、HDPE透鏡及超導(dǎo)接收機(jī)天線之間的準(zhǔn)直，使得金屬屏小孔、HDPE透鏡和硅透鏡天線中心在一條直線上，完成調(diào)整后，固定金屬屏、透鏡及超導(dǎo)接收機(jī)不動；
[0022]4)啟動二維平面掃描支架的移動裝置，使待測輻射源在二維平面上平移，在掃描過程中，逐點記錄接收機(jī)讀出的信號幅度和相位；
[0023]5)掃描完成后，即得到待測輻射源的二維矢量近場分布。
[0024]上述方法中，開小孔的金屬屏與HDPE透鏡即構(gòu)成了所述的準(zhǔn)光型探頭。
[0025]在步驟5)中，之后可通過近遠(yuǎn)場變換得到待測輻射源的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖。
[0026]在上述步驟中，金屬屏、HDPE透鏡與接收機(jī)之間的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計采用以下方法:
[0027](A)金屬屏的小孔直徑D取為2?5 λ，λ為待測輻射源的波長(已知值)；
[0028](B)利用下述公式(I)、公式(2)計算出HDPE透鏡兩側(cè)準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑:
[0029]W1=0.34D (I)
[0030]W2=0.4Da (2)
[0031]上式中，W1為透鏡在小孔上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑、W2為透鏡在接收機(jī)硅透鏡天線口面上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑，Da為硅透鏡天線的口面直徑；[0032]將W1、W2分別帶入公式(3 )、公式(4)中，求得R1、R2:
【權(quán)利要求】
1.一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，設(shè)置在接收機(jī)之前，其特征在于，包括: 一金屬屏，金屬屏中心開有直徑為D的小孔，厚度t小于所述小孔的直徑D，小孔外的區(qū)域覆有吸波材料，屏面面積不小于設(shè)定掃描的近場范圍； 一透鏡，所述透鏡與金屬屏平行放置，透鏡中心與金屬屏小孔的中軸線位于同一直線上，且透鏡前后的準(zhǔn)光學(xué)焦點分別落在金屬屏小孔和接收機(jī)的天線口面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，其特征在于，所述小孔的直徑為2~5 λ，λ為待測輻射源的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，其特征在于，所述吸波材料的損耗系數(shù)不小于100dB/cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，其特征在于，所述吸波材料為硅膠薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探頭，其特征在于，所述透鏡為HDPE透鏡。
6.一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探測系統(tǒng)，其特征在于，包括以下組成構(gòu)件: 二維平面掃描支架，包括固定待測輻射源的平臺和控制平臺在二維平面X軸和Y軸向上位移的移動裝置； 如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)項所述的準(zhǔn)光型探頭，所述準(zhǔn)光型探頭的金屬屏與二維平面掃描支架的二維平面相平行； 熱電子混頻超導(dǎo)接收機(jī)，接收機(jī)天線的中心與探頭透鏡中心、金屬屏小孔的中軸線位于同一直線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于太赫茲近場測量的準(zhǔn)光型探測系統(tǒng)，其特征在于: 所述透鏡在小孔上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑W1=0.34D;所述接收機(jī)天線為硅透鏡天線，則探頭透鏡位于天線口面上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑w2=0.4Da，上式中，Da為透鏡天線的口面直徑。
8.一種用于太赫茲場形測量的探測方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將設(shè)定波長的待測輻射源固定在二維平面掃描支架上，在需要測量近場分布的平面上放置中心開小孔的金屬屏，使金屬屏與所述二維平面掃描支架的二維平面保持平行； 2)在與待測輻射源相對的金屬屏的另一側(cè)依次放置HDPE透鏡和采用硅透鏡天線的超導(dǎo)接收機(jī)，并使HDPE透鏡兩側(cè)的準(zhǔn)光學(xué)焦點分別落在金屬屏小孔和接收機(jī)的硅透鏡天線口面上； 3)利用超導(dǎo)接收機(jī)讀出信號強度，根據(jù)信號強度來調(diào)整金屬屏、HDPE透鏡及超導(dǎo)接收機(jī)天線之間的準(zhǔn)直，使得金屬屏小孔、HDPE透鏡和硅透鏡天線中心在一條直線上，完成調(diào)整后，固定金屬屏、透鏡及超導(dǎo)接收機(jī)不動； 4)啟動二維平面掃描支架的移動裝置，使待測輻射源在二維平面上平移，在掃描過程中，逐點記錄接收機(jī)讀出的信號幅度和相位； 5)掃描完成后，即得到待測輻射源的二維矢量近場分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的 一種用于太赫茲場形測量的探測方法，其特征在于: 在步驟5)中，通過近遠(yuǎn)場變換得到待測輻射源的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖。
10.根據(jù)權(quán)8或9所述的一種用于太赫茲場形測量的探測方法，其特征在于，在上述步驟中，金屬屏、HDPE透鏡與接收機(jī)之間的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計采用以下方法: (A)金屬屏的小孔直徑D取為2~5λ，λ為待測輻射源的波長； (B)利用下述公式(I)、公式(2)計算出HDPE透鏡兩側(cè)準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑: W1=0.34D(I) W2=0.4Da(2) 上式中，W1為透鏡在小孔上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑、W2為透鏡在接收機(jī)硅透鏡天線口面上的準(zhǔn)光學(xué)焦點處的束腰半徑，Da為硅透鏡天線的口面直徑； 將W:、W2分別帶入公式(3)、公式(4)中，求得Rp R2:
【文檔編號】G01J1/00GK103884422SQ201410116015
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】婁錚, 胡潔, 周康敏, 史生才 申請人:中國科學(xué)院紫金山天文臺