用于太赫茲近場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探頭、探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于太赫茲近場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探頭、探測(cè)系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的探測(cè)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(kāi)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(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)，并能與熱電子混頻超導(dǎo)接收機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的太赫茲近場(chǎng)測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于太赫茲近場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探頭、探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)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(chǎng)測(cè)量中的準(zhǔn)光型探頭、探測(cè)系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的探測(cè)方法，屬于太赫茲測(cè)量技術(shù)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是電磁場(chǎng)場(chǎng)形測(cè)量中的重要方法，已被廣泛應(yīng)用于天線輻射特性測(cè)量、反射面全息測(cè)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(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，近場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)更為緊湊，成本更低，測(cè)量信噪比更高，并且通過(guò)一次測(cè)量就可獲取不同測(cè)量距離上的近場(chǎng)分布以及全方位角內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。
[0003]近場(chǎng)測(cè)量中，對(duì)待測(cè)場(chǎng)分布進(jìn)行感知和捕獲的微小接收元件稱(chēng)為探頭。為了提高測(cè)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(cè)輻射源的口面尺寸。在微波和毫米波近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中，通常采用開(kāi)口波導(dǎo)型的探頭。這種類(lèi)型的探頭利用矩形波導(dǎo)的開(kāi)口截面來(lái)感應(yīng)射頻電磁信號(hào)，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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?jí)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的精密加工變得更加困難。同時(shí)隨著金屬損耗在高頻的顯著增長(zhǎng)，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(cè)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(cè)靈敏度常常不滿(mǎn)足測(cè)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(cè)器置于密閉的低溫杜瓦內(nèi)，通過(guò)準(zhǔn)光型的透鏡天線實(shí)現(xiàn)與外部電磁信號(hào)耦合。在這種接收機(jī)配置條件下，波導(dǎo)型的近場(chǎng)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)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(chǎng)測(cè)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(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的太赫茲近場(chǎng)測(cè)量。
[0005]為實(shí)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(chǎng)測(cè)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(kāi)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(chǎng)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(diǎn)(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(cè)輻射源的波長(zhǎng)，為設(shè)定值。在該區(qū)間內(nèi)，較小的孔徑可以實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，而較大的孔徑有利于實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)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(chǎng)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，具體方案如下:
[0012]一種用于太赫茲近場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探測(cè)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(cè)輻射源的平臺(tái)和控制平臺(tái)在二維平面X軸和Y軸向上位移的移動(dòng)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(shí)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(diǎn)處的束腰半徑W1應(yīng)滿(mǎn)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(shí)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(diǎn)處的束腰半徑W2應(yīng)滿(mǎn)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(chǎng)形測(cè)量的探測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0019]I)將設(shè)定波長(zhǎng)的待測(cè)輻射源固定在二維平面掃描支架上，在需要測(cè)量近場(chǎng)分布的平面上放置中心開(kāi)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(cè)輻射源相對(duì)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(diǎn)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(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)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(dòng)；
[0022]4)啟動(dòng)二維平面掃描支架的移動(dòng)裝置，使待測(cè)輻射源在二維平面上平移，在掃描過(guò)程中，逐點(diǎn)記錄接收機(jī)讀出的信號(hào)幅度和相位；
[0023]5)掃描完成后，即得到待測(cè)輻射源的二維矢量近場(chǎng)分布。
[0024]上述方法中，開(kāi)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(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換得到待測(cè)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(jì)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(cè)輻射源的波長(zhǎng)(已知值)；
[0028](B)利用下述公式(I)、公式(2)計(jì)算出HDPE透鏡兩側(cè)準(zhǔn)光學(xué)焦點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)測(cè)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(kāi)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(chǎng)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(diǎn)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(chǎng)測(cè)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(cè)輻射源的波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲近場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探測(cè)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(cè)輻射源的平臺(tái)和控制平臺(tái)在二維平面X軸和Y軸向上位移的移動(dòng)裝置； 如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)項(xiàng)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(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)光型探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于: 所述透鏡在小孔上的準(zhǔn)光學(xué)焦點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)形測(cè)量的探測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將設(shè)定波長(zhǎng)的待測(cè)輻射源固定在二維平面掃描支架上，在需要測(cè)量近場(chǎng)分布的平面上放置中心開(kāi)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(cè)輻射源相對(duì)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(diǎn)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(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)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(dòng)； 4)啟動(dòng)二維平面掃描支架的移動(dòng)裝置，使待測(cè)輻射源在二維平面上平移，在掃描過(guò)程中，逐點(diǎn)記錄接收機(jī)讀出的信號(hào)幅度和相位； 5)掃描完成后，即得到待測(cè)輻射源的二維矢量近場(chǎng)分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的 一種用于太赫茲場(chǎng)形測(cè)量的探測(cè)方法，其特征在于: 在步驟5)中，通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換得到待測(cè)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(chǎng)形測(cè)量的探測(cè)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(jì)采用以下方法: (A)金屬屏的小孔直徑D取為2~5λ，λ為待測(cè)輻射源的波長(zhǎng)； (B)利用下述公式(I)、公式(2)計(jì)算出HDPE透鏡兩側(cè)準(zhǔn)光學(xué)焦點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(hào)】G01J1/00GK103884422SQ201410116015
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)