太赫茲反射面天線測試方法綜述

秦順友

(中國電子科技集團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。太赫茲頻段兩側的紅外和微波技術發展比較成熟，但是人們對THz波的認識非常有限，形成所謂“THz Gap”，因此THz波譜不僅具有豐富的科學內容[1]，而且具有廣闊的應用前景[2]。

近年來，隨著太赫茲科學技術的發展，太赫茲在空間遙感探測[3]、空間射電望遠鏡[4]、便攜式亞毫米波望遠鏡[5]和地面亞毫米波望遠鏡[6]等已獲得實際應用。例如2009年歐洲宇航局(ESA)利用同一火箭同時發射了Herschel望遠鏡和Planck望遠鏡[4]。這2個空間望遠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，觀測頻率范圍分別為448 GHz～5.3 THz和30～857 GHz。

天線作為發射和接收電磁波的部件，它為發射機或接收機與傳播無線電波的媒質之間提供所需要的耦合。當反射面天線工作頻率上升到太赫茲頻段時，設計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極其困難，而且天線性能調試和驗證測試同樣面臨著巨大的挑戰[7]。本文系統總結了傳統的反射面天線電性能的測量技術，論述了在太赫茲頻段反射面天線測量中，各種天線測量技術的可行性及其局限性。

1 遠場測量技術

遠場測量是天線性能測試的常用測量方法，可細分為室內遠場和室外遠場。遠場測量天線的基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 遠場測量原理

遠場天線測量的首要條件是：收發天線之間的測試距離應滿足遠場測試距離條件，

(1)

式中，R為收發天線之間的距離；D為待測天線的最大尺寸；λ為工作波長。

典型口徑天線在太赫茲頻段的遠場最小測試距離如表1所示。

表1 典型口徑天線在太赫茲頻段的遠場最小測試距離 (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，遠場測量可分為室內遠場測量和室外遠場測量。在太赫茲頻段，文獻[8]報導了室內太赫茲天線遠場測試系統，測試系統設備覆蓋頻率200 GHz～1.1 THz，分為220～325 GHz，325～500 GHz，500～750 GHz，750～1 100 GHz四個頻段，THz天線測量平臺占用空間1.1 m×1 m×0.59 m，功率發射模塊和接收模塊之間的最大測試距離159 mm，如圖2所示。因此可見該系統只可測量電尺寸非常小的THz天線。由表1計算的典型口徑天線在太赫茲頻段的遠場最小測試距離可知，哪怕口徑30 cm，頻率300 GHz的反射面天線，其遠場最小測試距離需要180 m，故室內遠場測量太赫茲頻段高增益反射面天線是很難滿足遠場測試距離條件。

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圖2 室內THz遠場測量系統

對于天線室外遠場測試場，一般遠場測試距離小于10 km或10 km左右的測試場還是可以實現的，表1標注了遠場可測量THz天線口徑和頻率。但是在太赫茲頻段，僅考慮天線遠場測試距離條件是不夠的，因為太赫茲波通過大氣傳播時，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]。太赫茲標準大氣天頂方向的大氣衰減曲線如圖3所示。

圖3 太赫茲標準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，而且太赫茲頻段發射機產生的可用信號功率又非常的小，使太赫茲天線測試系統的動態范圍很小，很難滿足高增益反射面天線測試的動態范圍要求。另外大氣溫度和濕度的變化導致太赫茲信號測量失真，從而引起天線性能的測量誤差。因此，天線遠場測試距離要求及大氣對太赫茲波的傳播影響將成為THz反射面天線測量的瓶頸。如果所測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場測試距離比2D2/λ更大[10]。因此在一般大氣環境條件下，采用常規的室外遠場測試THz反射面天線性能幾乎是不可行的。但是亞毫米波望遠鏡已成功應用于天文觀測[11]，例如JCMT望遠鏡(口徑15 m，位于夏威夷Mauna Kea)、德國KOSMA望遠鏡(口徑3 m，現已遷移至中國西藏羊八井)、南極的ASTRO望遠鏡(口徑1.5 m)和SST望遠鏡(天線口徑1.5 m，位于EI Leoecito)等。這些亞毫米波望遠鏡的安裝站址均為高原地區，空氣稀薄干燥，滿足亞毫米波望遠鏡的觀測條件[12]。由國際電信聯盟Rec.ITU-R P.676-6可知：在0.1～10 THz的太赫茲頻段內，干燥大氣衰減遠小于標準大氣的衰減[9]。由此可見，在滿足亞毫米波望遠鏡觀測條件的地區，且收發天線之間距離可滿足天線遠場測試距離條件，建立太赫茲反射面天線遠場測試系統是切實可行的。如SST望遠鏡，在EI Leoecito望遠鏡的安裝現場建立太赫茲遠場測試系統，實現了1.5 m天線在405 GHz的性能測試，太陽亞毫米波射電望遠鏡SST的現場測試場照片如圖4所示[10]。

圖4 太陽亞毫米波望遠鏡SST的THz遠場測試場

綜上所述，一般大氣條件下，常規的遠場測試場測量THz反射面天線幾乎是不可行的，但是在滿足THz望遠鏡觀測大氣條件下[12]，建立滿足遠場測試距離條件的場地是切實可行的，但是目前世界上可用于THz射電望遠鏡觀測臺址是很少的，且大口徑太赫茲反射面天線的遠場測量很難滿足遠場測試距離條件。

2 近場測量技術

天線近場測量指的是用一個性能已知的探頭在天線輻射近場區域內，采集待測天線近場區的幅度和相位數據，通過嚴格的數學變換計算出天線的遠場區特性。天線近場測量系統常建在微波暗室內，測試環境的溫度和濕度可以得到很好的控制，大氣的影響相對較小。依據近場測量探頭掃描面的不同，又可分為平面、柱面和球面近場測量，如圖5所示。

圖5 天線近場測量方法

平面近場測量技術非常適合高增益天線的性能測量[13]。在平面近場測量中，探頭與待測天線之間距離為3λ～10λ。近場探頭掃描面的大小，應保證掃描面的邊緣電平低得可以忽略不計，它與近場測試系統的動態范圍、預計變換遠場方向圖的角度范圍和測量精度有關，一般應使近場掃描面截斷處的信號電平比中心部位的信號電平低30～40 dB，對于高增益太赫茲反射面天線，近場的掃描面比待測天線口徑稍大即可[14]；另外，平面近場測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平面內的采樣間隔Δx和Δy應滿足：

(2)

例如當工作頻率為650 GHz時，平面近場掃描的采樣間隔小于或等于0.23 mm，顯然太赫茲近場測試系統的掃描探頭的機械定位精度要求很高，且測量探頭采集天線近場幅度和相位的數據量十分巨大。假設待測反射面天線口徑為1.5 m，工作頻率為650 GHz，采樣區域為2 m×2 m，平面近場測量采樣數據點數為8 697×8 697，如果近場掃描探頭采集數據的速度是10個/s數據點，那么完成2 m×2 m的掃描面的近場幅度和相位數據采集，需要時間為87.5 d。顯然，完成這些近場數據的精確采集，無疑要求太赫茲近場測試系統的穩定性、可靠性和精準度都非常高。

在太赫茲平面近場掃描測試系統中，測試過程中射頻電纜的抖動、彎曲等將會引起很大的相位測量誤差，為了精確計算天線遠場特性，必須采用相位校正技術，減少相位測量誤差，提高近場測量精度。如J.Tuovinen提出了用雙電纜法來減少電纜引起的相位測量誤差[15]；J.Saily提出了在平面近場測試中，基于導頻信號的微波電纜彎曲的相位誤差實時測量和校正[16]；D.Hess提出了三電纜方法來補償電纜引起的相位變化[17]。總之，通過對近場測試系統中同軸電纜設計進行改進，并對探頭掃描時的電纜彎曲引起相位誤差進行修正處理，可以將近場測量的相位誤差降低到可接受的范圍。

NASA建造了應用于亞毫米波天文衛星(SWAS)上的射電天文望遠鏡測試的550 GHz平面近場測量系統[18]，如圖6所示。該系統掃描架為0.8 m×0.8 m，掃描器的平面度15 μm(rms)，近場測量系統相位測量精度要求為15 μm(rms)。系統由3個特殊的旋轉接頭互相連接的雙機械臂，來滿足1.2 μm的均方根路徑場穩定的性能要求。

圖6 550 GHz近場測試系統掃描器

在太赫茲平面近場測量系統中，必須解決電纜彎曲引起的相位測量誤差、熱補償技術來降低這種熱量導致的誤差和掃描探頭的高精度機械定位等技術難題。建立太赫茲平面近場測試系統非常昂貴，技術難度大，測試周期長。采用太赫茲近場測試系統，測量高增益反射面天線方向圖寬角特性是很難的，但如果只關注天線方向圖的主波束特性和近旁瓣特性，平面近場測量技術是切實可行的。目前NSI公司研制的太赫茲平面近場測量系統頻率已達到950 GHz[19]，如圖7所示。該近場測試系統的掃描區域為0.9 m×0.9 m，掃描平面度達到20 μm；NSI研制的太赫茲平面近場測試系統的最大掃描架尺寸為2.4 m×2.4 m，測試系統的工作頻率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平面近場測量系統

圖8 NSI公司研制的2.4 m×2.4 m太赫茲掃描架

3 緊縮場測量技術

緊縮測試場是一種在近距離內，利用一種校正單元將饋源喇叭輻射的球面波變為平面波的測試設備。緊縮場的工作原理示意圖如圖9所示。

圖9 緊縮場工作原理

緊縮場所產生平面波區域稱為緊縮場的靜區，待測天線安裝在緊縮場的靜區內，可直接對待測天線的方向圖、天線增益和交叉極化等遠場電性能參數進行測量。緊縮場可建立在微波暗室內，測量方法和程序同傳統的遠場測量一樣簡單方便，非常適合毫米波、亞毫米波及太赫茲頻段的反射面天線測量。在緊縮場的靜區內，一般要求緊縮場幅度起伏度小于1 dB，相位起伏度小于10°。依據緊縮場采用不同的校正單元，緊縮場可細分為反射面緊縮場、透鏡緊縮場和全息緊縮場。

3.1 反射面緊縮場技術

反射面緊縮場的校正單元是反射面，它是利用饋源發射球面波，通過1個或多個反射面形成平面波。依據反射面的多少，反射面緊縮場可分為單反射面緊縮場、雙反射面緊縮場和三反射面緊縮場。典型的單反射面緊縮場原理示意圖如圖10所示。

圖10 單反射面緊縮場工作原理

單反射面緊縮場的缺點是反射面口面利用率低，靜區尺寸約為反射面直徑的30%；另外，單反射面緊縮場靜區交叉極化性能不好，一般約為-30 dB[20]。雙反射面緊縮場系統一般由一個饋源、一個雙曲面的副反射面和一個旋轉拋物面的主反射面組成，與單反射面緊縮場相比，其顯著優點是改善緊縮場靜區的交叉極化性能，雙反射面緊縮場的靜區交叉極化可達到-40 dB或者更低[20]，且提高了緊縮場靜區利用率。三反射面緊縮場是用一個標準的主反射面和2個賦形副反射面組成的[21]，與單反射面和雙反射面緊縮場系統相比，三反射面緊縮場可以獲得很高的靜區利用率，一般約為主反射面直徑的70%～75%。

在反射面緊縮場系統設計中，降低緊縮場反射面的邊緣照射電平是很重要的，因為緊縮場反射面的邊緣衍射會造成靜區的失真。目前減少緊縮場反射面邊緣繞射措施有：緊縮場饋源使用同軸扼流槽波導照射器，降低邊緣照射電平；緊縮場反射面的邊緣采用鋸齒狀邊緣或卷曲邊緣來減少繞射[22]，改善靜區性能。

反射面緊縮場的工作頻帶一般很寬，緊縮場反射面的表面精度決定其上限工作頻率，緊縮場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已獲得了廣泛的應用。但是，對于亞毫米波乃至太赫茲頻段，緊縮場的性能就受較高的反射面表面公差要求的制約。緊縮場的反射面表面公差的均方根誤差一般要求為百分之一個波長。如頻率為1 THz時，波長為300 μm，則反射面的表面公差要求為3 μm，反射面的高精度機械制造十分困難，且高精度要求必然帶來高昂的制造費用。由此看出：緊縮場反射面的高精度加工制造使得反射面緊縮場的應用受到限制。

目前，在太赫茲頻段，獲得廣泛實際應用的有美國NSI-MI公司和德國Astrium公司的反射面緊縮場系統。NSI-MI公司典型產品為單反射面緊縮場系統，緊縮場的靜區尺寸最大可達到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緊縮場系統的反射面形狀如圖11所示[23]。

圖11 常見的NSI-MI緊縮場系統反射面形狀

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

圖12 Astrium公司的CCR75/60緊縮場系統

關于太赫茲三反射面緊縮場系統，文獻[25]報導了卡塞格倫—格雷戈里三反射面太赫茲緊縮場系統如圖13所示，該系統最高工作頻率325 GHz，測試靜區達到70 cm。

圖13 三反射面緊縮場實物照片及原理

總之，目前實用反射面緊縮場最高頻率可達500 GHz，隨著測試頻率提高，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向更高頻率發展的瓶頸。

3.2 透鏡緊縮場技術

圖14 透鏡緊縮場原理示意

透鏡緊縮場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的降低，大大增加了透鏡的厚度。如透鏡材料的介電常數為1.1，透鏡焦距長度與透鏡直徑比為3時，泡沫透鏡厚度將略小于透鏡的直徑。隨著透鏡介電常數從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]。

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

3.3 全息緊縮場技術

全息緊縮場是芬蘭阿爾托大學1992年提出的一種緊縮場天線測試方法[30]。全息緊縮場工作原理圖如圖15所示，當頻率高于200 GHz時，全息緊縮場成為很好的選擇，雖然全息緊縮場極化單一，頻段較窄，但制作成本不高，加工制造方面。目前全息緊縮場40～650 GHz頻率范圍內已獲得了成功應用。650 GHz全息緊縮場測試系統如圖16所示[31]。

圖15 全息緊縮場測試原理

圖16 650 GHz全息緊縮場測試系統

全息緊縮場利用一個全息光柵板作為校正單元[32]。全息光柵板對饋源喇叭發射的球面波進行調制，在靜區上生成的平面波。饋源喇叭發射的球面波和靜區平面波生成全息圖。為了分離靜區平面波和其他電磁波，靜區平面波的傳播方向偏離全息光柵板法向33°角，防止干擾信號影響靜區性能[33]。

全息緊縮場的全息光柵板是用蝕刻工藝將金屬微帶賦形到介質薄膜上，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：全息緊縮場在構建太赫茲緊縮場方面顯示出巨大優勢。但由于全息緊縮場的頻段較窄，以及大尺寸全息光柵板難以精確制造等原因，限制了全息緊縮場的應用。對于未來空間科學研究來講，尤其是當工作頻率超過1 000 GHz時，反射面緊縮場極其昂貴，且很難滿足表面精度要求，那么全息緊縮場顯示出巨大的潛力。

4 結束語

天線測量常用方法有遠場法、近場法和緊縮場法，不同的方法有其各自優缺點，選擇一個合適的測量方法對于精確測量天線性能和正確表征天線特性是非常重的。

當天線工作于THz頻段時，由于受遠場測試距離的限制和大氣傳播衰減的影響，以及太赫茲信號微弱，且自由空間傳播損耗大等，一般大氣條件下，室外遠場測量法不再適用，但是在高原、空氣干燥的地區，建立太赫茲天線室外遠場測試場是切實可行的；目前平面近場測量技術在太赫茲天線測量中獲得了實際應用，并實現了最高的測試頻率，但是近場測試系統要求高精度探頭定位，精確的相位測量與修正，系統可靠性和穩定性要求非常高，因此建立近場測量系統非常復雜，成本十分昂貴；緊縮場測量天線性能簡單方便，獲得了廣泛應用。目前透鏡緊縮場基本被淘汰，但是反射面緊縮場的反射面表面制造精度要求制約其向更高測試頻段發展，而全息緊縮場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建高性價比緊縮場測試系統方面的巨大潛力。

總之，對于太赫茲反射面測量，考慮到測試技術復雜程度和測試系統搭建費用等因素，相比較而言，基于全息的緊縮場最為簡單易行，特別是當工作頻率在1 000 GHz以上，更顯示出全息緊縮場的巨大潛力。