太赫兹反射面天线测试方法综述

秦顺友

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

0 引言

THz波是指工作频率在0.1～10 THz、波长在3 mm～30 μm的电磁波，位于红外和微波之间。太赫兹频段两侧的红外和微波技术发展比较成熟，但是人们对THz波的认识非常有限，形成所谓“THz Gap”，因此THz波谱不仅具有丰富的科学内容[1]，而且具有广阔的应用前景[2]。

近年来，随着太赫兹科学技术的发展，太赫兹在空间遥感探测[3]、空间射电望远镜[4]、便携式亚毫米波望远镜[5]和地面亚毫米波望远镜[6]等已获得实际应用。例如2009年欧洲宇航局(ESA)利用同一火箭同时发射了Herschel望远镜和Planck望远镜[4]。这2个空间望远镜分别采用了具有高增益的3.5 m卡塞格伦天线和1.5 m偏轴反射面天线，观测频率范围分别为448 GHz～5.3 THz和30～857 GHz。

天线作为发射和接收电磁波的部件，它为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。当反射面天线工作频率上升到太赫兹频段时，设计具有高增益低噪声的反射面天线，不仅加工工艺和制造技术极其困难，而且天线性能调试和验证测试同样面临着巨大的挑战[7]。本文系统总结了传统的反射面天线电性能的测量技术，论述了在太赫兹频段反射面天线测量中，各种天线测量技术的可行性及其局限性。

1 远场测量技术

远场测量是天线性能测试的常用测量方法，可细分为室内远场和室外远场。远场测量天线的基本原理示意图如图1所示。

图1 远场测量原理

远场天线测量的首要条件是：收发天线之间的测试距离应满足远场测试距离条件，

(1)

式中，R为收发天线之间的距离；D为待测天线的最大尺寸；λ为工作波长。

典型口径天线在太赫兹频段的远场最小测试距离如表1所示。

表1 典型口径天线在太赫兹频段的远场最小测试距离 (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

众所周知，远场测量可分为室内远场测量和室外远场测量。在太赫兹频段，文献[8]报导了室内太赫兹天线远场测试系统，测试系统设备覆盖频率200 GHz～1.1 THz，分为220～325 GHz，325～500 GHz，500～750 GHz，750～1 100 GHz四个频段，THz天线测量平台占用空间1.1 m×1 m×0.59 m，功率发射模块和接收模块之间的最大测试距离159 mm，如图2所示。因此可见该系统只可测量电尺寸非常小的THz天线。由表1计算的典型口径天线在太赫兹频段的远场最小测试距离可知，哪怕口径30 cm，频率300 GHz的反射面天线，其远场最小测试距离需要180 m，故室内远场测量太赫兹频段高增益反射面天线是很难满足远场测试距离条件。

综上所述,对医院的临床护士实行绩效考核管理,对提高自我管理能力、护士服务质量以及提高护理满意度方面有着极其重要的意义,而服务质量提高了,护理中不良事件的发生率也就降低了。因此,此种绩效考核管理办法值更多的医院推广和借鉴。

图2 室内THz远场测量系统

对于天线室外远场测试场，一般远场测试距离小于10 km或10 km左右的测试场还是可以实现的，表1标注了远场可测量THz天线口径和频率。但是在太赫兹频段，仅考虑天线远场测试距离条件是不够的，因为太赫兹波通过大气传播时，受大气压力、大气温度和水蒸气密度的影响，大气引起的衰减是非常巨大的[9]。太赫兹标准大气天顶方向的大气衰减曲线如图3所示。

图3 太赫兹标准大气天顶方向的大气衰减曲线

太赫兹波在自由空间传播中，自由空间衰减也很大，而且太赫兹频段发射机产生的可用信号功率又非常的小，使太赫兹天线测试系统的动态范围很小，很难满足高增益反射面天线测试的动态范围要求。另外大气温度和湿度的变化导致太赫兹信号测量失真，从而引起天线性能的测量误差。因此，天线远场测试距离要求及大气对太赫兹波的传播影响将成为THz反射面天线测量的瓶颈。如果所测量的太赫兹反射面天线具有低副瓣特性，那么所要求的天线远场测试距离比2D2/λ更大[10]。因此在一般大气环境条件下，采用常规的室外远场测试THz反射面天线性能几乎是不可行的。但是亚毫米波望远镜已成功应用于天文观测[11]，例如JCMT望远镜(口径15 m，位于夏威夷Mauna Kea)、德国KOSMA望远镜(口径3 m，现已迁移至中国西藏羊八井)、南极的ASTRO望远镜(口径1.5 m)和SST望远镜(天线口径1.5 m，位于EI Leoecito)等。这些亚毫米波望远镜的安装站址均为高原地区，空气稀薄干燥，满足亚毫米波望远镜的观测条件[12]。由国际电信联盟Rec.ITU-R P.676-6可知：在0.1～10 THz的太赫兹频段内，干燥大气衰减远小于标准大气的衰减[9]。由此可见，在满足亚毫米波望远镜观测条件的地区，且收发天线之间距离可满足天线远场测试距离条件，建立太赫兹反射面天线远场测试系统是切实可行的。如SST望远镜，在EI Leoecito望远镜的安装现场建立太赫兹远场测试系统，实现了1.5 m天线在405 GHz的性能测试，太阳亚毫米波射电望远镜SST的现场测试场照片如图4所示[10]。

图4 太阳亚毫米波望远镜SST的THz远场测试场

综上所述，一般大气条件下，常规的远场测试场测量THz反射面天线几乎是不可行的，但是在满足THz望远镜观测大气条件下[12]，建立满足远场测试距离条件的场地是切实可行的，但是目前世界上可用于THz射电望远镜观测台址是很少的，且大口径太赫兹反射面天线的远场测量很难满足远场测试距离条件。

2 近场测量技术

天线近场测量指的是用一个性能已知的探头在天线辐射近场区域内，采集待测天线近场区的幅度和相位数据，通过严格的数学变换计算出天线的远场区特性。天线近场测量系统常建在微波暗室内，测试环境的温度和湿度可以得到很好的控制，大气的影响相对较小。依据近场测量探头扫描面的不同，又可分为平面、柱面和球面近场测量，如图5所示。

图5 天线近场测量方法

平面近场测量技术非常适合高增益天线的性能测量[13]。在平面近场测量中，探头与待测天线之间距离为3λ～10λ。近场探头扫描面的大小，应保证扫描面的边缘电平低得可以忽略不计，它与近场测试系统的动态范围、预计变换远场方向图的角度范围和测量精度有关，一般应使近场扫描面截断处的信号电平比中心部位的信号电平低30～40 dB，对于高增益太赫兹反射面天线，近场的扫描面比待测天线口径稍大即可[14]；另外，平面近场测量的采样间隔满足傅里叶变换理论中的奈奎斯特定理，即XY平面内的采样间隔Δx和Δy应满足：

(2)

例如当工作频率为650 GHz时，平面近场扫描的采样间隔小于或等于0.23 mm，显然太赫兹近场测试系统的扫描探头的机械定位精度要求很高，且测量探头采集天线近场幅度和相位的数据量十分巨大。假设待测反射面天线口径为1.5 m，工作频率为650 GHz，采样区域为2 m×2 m，平面近场测量采样数据点数为8 697×8 697，如果近场扫描探头采集数据的速度是10个/s数据点，那么完成2 m×2 m的扫描面的近场幅度和相位数据采集，需要时间为87.5 d。显然，完成这些近场数据的精确采集，无疑要求太赫兹近场测试系统的稳定性、可靠性和精准度都非常高。

在太赫兹平面近场扫描测试系统中，测试过程中射频电缆的抖动、弯曲等将会引起很大的相位测量误差，为了精确计算天线远场特性，必须采用相位校正技术，减少相位测量误差，提高近场测量精度。如J.Tuovinen提出了用双电缆法来减少电缆引起的相位测量误差[15]；J.Saily提出了在平面近场测试中，基于导频信号的微波电缆弯曲的相位误差实时测量和校正[16]；D.Hess提出了三电缆方法来补偿电缆引起的相位变化[17]。总之，通过对近场测试系统中同轴电缆设计进行改进，并对探头扫描时的电缆弯曲引起相位误差进行修正处理，可以将近场测量的相位误差降低到可接受的范围。

NASA建造了应用于亚毫米波天文卫星(SWAS)上的射电天文望远镜测试的550 GHz平面近场测量系统[18]，如图6所示。该系统扫描架为0.8 m×0.8 m，扫描器的平面度15 μm(rms)，近场测量系统相位测量精度要求为15 μm(rms)。系统由3个特殊的旋转接头互相连接的双机械臂，来满足1.2 μm的均方根路径场稳定的性能要求。

图6 550 GHz近场测试系统扫描器

在太赫兹平面近场测量系统中，必须解决电缆弯曲引起的相位测量误差、热补偿技术来降低这种热量导致的误差和扫描探头的高精度机械定位等技术难题。建立太赫兹平面近场测试系统非常昂贵，技术难度大，测试周期长。采用太赫兹近场测试系统，测量高增益反射面天线方向图宽角特性是很难的，但如果只关注天线方向图的主波束特性和近旁瓣特性，平面近场测量技术是切实可行的。目前NSI公司研制的太赫兹平面近场测量系统频率已达到950 GHz[19]，如图7所示。该近场测试系统的扫描区域为0.9 m×0.9 m，扫描平面度达到20 μm；NSI研制的太赫兹平面近场测试系统的最大扫描架尺寸为2.4 m×2.4 m，测试系统的工作频率118～ 660 GHz，NSI公司研制的2.4 m×2.4 m太赫兹扫描架[19]如图8所示。

图7 NSI公司的950 GHz平面近场测量系统

图8 NSI公司研制的2.4 m×2.4 m太赫兹扫描架

3 紧缩场测量技术

紧缩测试场是一种在近距离内，利用一种校正单元将馈源喇叭辐射的球面波变为平面波的测试设备。紧缩场的工作原理示意图如图9所示。

图9 紧缩场工作原理

紧缩场所产生平面波区域称为紧缩场的静区，待测天线安装在紧缩场的静区内，可直接对待测天线的方向图、天线增益和交叉极化等远场电性能参数进行测量。紧缩场可建立在微波暗室内，测量方法和程序同传统的远场测量一样简单方便，非常适合毫米波、亚毫米波及太赫兹频段的反射面天线测量。在紧缩场的静区内，一般要求紧缩场幅度起伏度小于1 dB，相位起伏度小于10°。依据紧缩场采用不同的校正单元，紧缩场可细分为反射面紧缩场、透镜紧缩场和全息紧缩场。

3.1 反射面紧缩场技术

反射面紧缩场的校正单元是反射面，它是利用馈源发射球面波，通过1个或多个反射面形成平面波。依据反射面的多少，反射面紧缩场可分为单反射面紧缩场、双反射面紧缩场和三反射面紧缩场。典型的单反射面紧缩场原理示意图如图10所示。

图10 单反射面紧缩场工作原理

单反射面紧缩场的缺点是反射面口面利用率低，静区尺寸约为反射面直径的30%；另外，单反射面紧缩场静区交叉极化性能不好，一般约为-30 dB[20]。双反射面紧缩场系统一般由一个馈源、一个双曲面的副反射面和一个旋转抛物面的主反射面组成，与单反射面紧缩场相比，其显著优点是改善紧缩场静区的交叉极化性能，双反射面紧缩场的静区交叉极化可达到-40 dB或者更低[20]，且提高了紧缩场静区利用率。三反射面紧缩场是用一个标准的主反射面和2个赋形副反射面组成的[21]，与单反射面和双反射面紧缩场系统相比，三反射面紧缩场可以获得很高的静区利用率，一般约为主反射面直径的70%～75%。

在反射面紧缩场系统设计中，降低紧缩场反射面的边缘照射电平是很重要的，因为紧缩场反射面的边缘衍射会造成静区的失真。目前减少紧缩场反射面边缘绕射措施有：紧缩场馈源使用同轴扼流槽波导照射器，降低边缘照射电平；紧缩场反射面的边缘采用锯齿状边缘或卷曲边缘来减少绕射[22]，改善静区性能。

反射面紧缩场的工作频带一般很宽，紧缩场反射面的表面精度决定其上限工作频率，紧缩场反射面的边缘绕射确定了其下限工作频率。目前微波毫米波紧缩场已获得了广泛的应用。但是，对于亚毫米波乃至太赫兹频段，紧缩场的性能就受较高的反射面表面公差要求的制约。紧缩场的反射面表面公差的均方根误差一般要求为百分之一个波长。如频率为1 THz时，波长为300 μm，则反射面的表面公差要求为3 μm，反射面的高精度机械制造十分困难，且高精度要求必然带来高昂的制造费用。由此看出：紧缩场反射面的高精度加工制造使得反射面紧缩场的应用受到限制。

目前，在太赫兹频段，获得广泛实际应用的有美国NSI-MI公司和德国Astrium公司的反射面紧缩场系统。NSI-MI公司典型产品为单反射面紧缩场系统，紧缩场的静区尺寸最大可达到11.5 m，频率覆盖范围1～200 GHz，其反射面边缘采用锯齿边或卷边，常见的NSI-MI紧缩场系统的反射面形状如图11所示[23]。

图11 常见的NSI-MI紧缩场系统反射面形状

德国Astrium公司主导产品为单反射面和双反射面紧缩场，静区尺寸覆盖1～ 30 m，频率覆盖范围0.5～500 GHz。例如Astrium公司的CCR 75/60双反射面紧缩场系统如图12所示，工作频率范围1.5～500 GHz，反射面的表面精度20 μm，紧缩场静区尺寸为5 m[24]。

图12 Astrium公司的CCR75/60紧缩场系统

关于太赫兹三反射面紧缩场系统，文献[25]报导了卡塞格伦—格雷戈里三反射面太赫兹紧缩场系统如图13所示，该系统最高工作频率325 GHz，测试静区达到70 cm。

图13 三反射面紧缩场实物照片及原理

总之，目前实用反射面紧缩场最高频率可达500 GHz，随着测试频率提高，反射面的表面精度难以保证，且加工制造成本非常昂贵，从而成为反射面紧缩场向更高频率发展的瓶颈。

3.2 透镜紧缩场技术

图14 透镜紧缩场原理示意

透镜紧缩场虽然在一定程度上克服了反射面紧缩表面公差要求高的问题，但是随着透镜材料的介电常数的降低，大大增加了透镜的厚度。如透镜材料的介电常数为1.1，透镜焦距长度与透镜直径比为3时，泡沫透镜厚度将略小于透镜的直径。随着透镜介电常数从1.1下降，透镜厚度迅速增加，那么泡沫透镜的制作非常困难[27]。

由于透镜介电常数降低将大大增加介质厚度以及透镜介质材料的选择问题，很难找到介电常数很小、介质均匀且高各向同性的材料。另外由于反射面紧缩场在微波毫米波频段领域应用很好，故透镜紧缩场并没有得到广泛应用。透镜紧缩场用于天线性能测量的频率可达94 GHz[28]和110 GHz[29]。

3.3 全息紧缩场技术

全息紧缩场是芬兰阿尔托大学1992年提出的一种紧缩场天线测试方法[30]。全息紧缩场工作原理图如图15所示，当频率高于200 GHz时，全息紧缩场成为很好的选择，虽然全息紧缩场极化单一，频段较窄，但制作成本不高，加工制造方面。目前全息紧缩场40～650 GHz频率范围内已获得了成功应用。650 GHz全息紧缩场测试系统如图16所示[31]。

图15 全息紧缩场测试原理

图16 650 GHz全息紧缩场测试系统

全息紧缩场利用一个全息光栅板作为校正单元[32]。全息光栅板对馈源喇叭发射的球面波进行调制，在静区上生成的平面波。馈源喇叭发射的球面波和静区平面波生成全息图。为了分离静区平面波和其他电磁波，静区平面波的传播方向偏离全息光栅板法向33°角，防止干扰信号影响静区性能[33]。

全息紧缩场的全息光栅板是用蚀刻工艺将金属微带赋形到介质薄膜上，其加工工艺简单，制造成本低，表面精度不像反射面那样苛刻[34]。另外，全息光栅板易于固定，确保全息光栅板的平面度。由此可见：全息紧缩场在构建太赫兹紧缩场方面显示出巨大优势。但由于全息紧缩场的频段较窄，以及大尺寸全息光栅板难以精确制造等原因，限制了全息紧缩场的应用。对于未来空间科学研究来讲，尤其是当工作频率超过1 000 GHz时，反射面紧缩场极其昂贵，且很难满足表面精度要求，那么全息紧缩场显示出巨大的潜力。

4 结束语

天线测量常用方法有远场法、近场法和紧缩场法，不同的方法有其各自优缺点，选择一个合适的测量方法对于精确测量天线性能和正确表征天线特性是非常重的。

当天线工作于THz频段时，由于受远场测试距离的限制和大气传播衰减的影响，以及太赫兹信号微弱，且自由空间传播损耗大等，一般大气条件下，室外远场测量法不再适用，但是在高原、空气干燥的地区，建立太赫兹天线室外远场测试场是切实可行的；目前平面近场测量技术在太赫兹天线测量中获得了实际应用，并实现了最高的测试频率，但是近场测试系统要求高精度探头定位，精确的相位测量与修正，系统可靠性和稳定性要求非常高，因此建立近场测量系统非常复杂，成本十分昂贵；紧缩场测量天线性能简单方便，获得了广泛应用。目前透镜紧缩场基本被淘汰，但是反射面紧缩场的反射面表面制造精度要求制约其向更高测试频段发展，而全息紧缩场中全息光栅板比较容易制造且成本很低，显示出了在太赫兹波段构建高性价比紧缩场测试系统方面的巨大潜力。

总之，对于太赫兹反射面测量，考虑到测试技术复杂程度和测试系统搭建费用等因素，相比较而言，基于全息的紧缩场最为简单易行，特别是当工作频率在1 000 GHz以上，更显示出全息紧缩场的巨大潜力。