一種太赫茲脈沖功率測量技術研究

張國強 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和微觀光子學的紐帶，在材料工程、生物醫學、信息科學等領域蘊藏著巨大的應用前景。但是，長期以來由于缺乏有效的太赫茲輻射產生和檢測方法，導致太赫茲頻段的電磁波未得到充分的研究和應用，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。針對這種情況，王光強等采用截止波導濾波法與諧波混頻法相結合的方式準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制信號平均功率和峰值功率進行測量的方法，并采用正弦調幅法對頻譜分析儀的測量結果進行驗證[4]。王平等提出了一種適合于頻率步進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，根據測量電壓與激光脈沖功率的正比例關系，同時獲得窄脈沖半導體激光器的脈寬和功率[6]。

本文基于微波電子學的基本原理，通過熱電偶式功率計對太赫茲平均功率進行測量，并結合太赫茲檢波器對脈沖參數進行測量，實現了太赫茲脈沖功率的準確測量。

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直接測量，而在太赫茲頻段，只能對平均功率進行測量。本文對太赫茲脈沖信號的脈寬、重復頻率和平均功率的測試方法進行重點研究，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下產生的太赫茲信號，通過波導與定向耦合器相連，直通信號通過波導與功率計直接相連顯示平均功率，耦合信號通過波導與檢波器相連后，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、脈沖寬度和重復頻率之后，脈沖功率可以通過公式(1)計算得到

(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—— 輸出信號脈沖重復頻率，單位為赫茲(Hz)。

1.1 脈沖寬度和重復頻率測量

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

在太赫茲脈沖寬度和重復頻率測量中，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，檢波信號直接進入示波器輸入端，在屏幕上顯視超高頻輸出脈沖的包絡。太赫茲檢波包絡如圖2所示，在檢波信號包絡幅度3dB電平處測量脈沖寬度，脈沖重復頻率通過示波器直接測量。

圖2 太赫茲檢波包絡

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行測量，二極管檢波式功率探頭可以對脈沖功率進行測量。目前，受限于二極管檢波技術水平，對于40GHz以下的功率信號可以通過脈沖式功率計進行直接測量，對于40GHz以上功率信號，只能采用熱電偶式功率計進行平均功率測量。

在太赫茲脈沖功率測量中，平均功率可以通過功率計進行測量，選用的功率計測量頻率范圍為220～325GHz，功率范圍為1μW～200mW。功率計由主機和探頭擴頻附件兩部分組成，主機頻率可以達到110GHz，接口形式為WR-10，UG387法蘭，擴頻附件是一段長度為25.4mm的漸變波導，該漸變波導將接口形式由WR-10轉換為WR-03標準波導口，從而將測試頻率擴展至325GHz。

在平均功率測量過程中，擴展附近的一端波導口與功率計主機相連，另一端波導口與測試信號的輸出口相連，將轉接波導的校準因子輸入功率計主機，則功率計直接顯示測試信號的平均功率。

2 測量誤差分析及校準

測量誤差按來源特性可分為隨機誤差和系統誤差。在實際計量測試中，對一個被測量來說，往往可能有多種因素引入若干項誤差，應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誤差之間的抵償，對隨機性的誤差，較為合理，也比較簡單。

在通常的誤差分析中，各項誤差往往都可看成是不相關的，即相互獨立的。系統的誤差可以通過公式(2)計算得出

(2)

式(2)中，σi為分項誤差；n為誤差項數。

在太赫茲信號平均功率、檢波脈寬及重復頻率測試過程中，根據前述測量誤差計算方法，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—輸出信號重復頻率相對測量誤差。

公式(3)中的平均功率、脈沖寬度和重復頻率的測量誤差主要由測試儀表決定，對于功率計相對測量誤差為±5%，對于示波器在最佳設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，測量系統的校準效果會對測試結果產生較大的影響。通常情況下，測量系統校準可以采用兩種方法：一種是采用標準太赫茲信號源饋入測量系統，在功率計上讀取輸出功率，兩者的差值就是系統的損耗，該種校準方法適合于標準源輸出信號較大，經過測量系統后的信號功率處于功率計的線性區；另一種方法是采用標準的矢量網絡分析儀，將測量系統接入矢網的輸入、輸出端口，通過測量鏈路的插損得到系統的損耗，該種校準方法適合于有帶寬測試需求，校準精度相對較高。同時，在測量過程中，為了減小端口失配對測量結果的影響，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 結束語

本文對太赫茲脈沖功率測量方法進行重點研究，驗證了一種通過測量太赫茲檢波脈沖寬度、重復頻率和平均功率，實現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用參考。