一种太赫兹脉冲功率测量技术研究

张国强 张生春 雷国忠

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

太赫兹(Terahertz，THz)频段是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波，处于毫米波频段和红外线之间，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹是连接宏观电子学和微观光子学的纽带，在材料工程、生物医学、信息科学等领域蕴藏着巨大的应用前景。但是，长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”[1-2]。

随着太赫兹应用需求的不断增多，太赫兹信号的检测和测量成为人们研究的热点。针对这种情况，王光强等采用截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率，利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布，并给出了单次脉冲的辐射功率[3]。邓倩岚等提出使用频谱分析仪对低频脉冲调制信号平均功率和峰值功率进行测量的方法，并采用正弦调幅法对频谱分析仪的测量结果进行验证[4]。王平等提出了一种适合于频率步进的脉冲峰值功率的测量方法[5]。张贵军采用检波方式直接测量脉冲宽度，根据测量电压与激光脉冲功率的正比例关系，同时获得窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率[6]。

本文基于微波电子学的基本原理，通过热电偶式功率计对太赫兹平均功率进行测量，并结合太赫兹检波器对脉冲参数进行测量，实现了太赫兹脉冲功率的准确测量。

1 测试方法

在微波和毫米波频段，脉冲功率可以通过功率计直接测量，而在太赫兹频段，只能对平均功率进行测量。本文对太赫兹脉冲信号的脉宽、重复频率和平均功率的测试方法进行重点研究，形成了一种适合于太赫兹脉冲功率的测量方法。

太赫兹脉冲功率测量框图如图1所示，太赫兹脉冲振荡器在外部脉冲及直流信号的激励下产生的太赫兹信号，通过波导与定向耦合器相连，直通信号通过波导与功率计直接相连显示平均功率，耦合信号通过波导与检波器相连后，检波信号通过电缆连接在示波器上显示脉冲宽度和重复频率。

图1 太赫兹脉冲功率测量框图

在测得脉冲振荡器的平均功率、脉冲宽度和重复频率之后，脉冲功率可以通过公式(1)计算得到

(1)

式(1)中：

P0——输出信号平均功率，单位为瓦(W)；

tw—— 输出信号脉冲宽度，单位为秒(s)；

PRF—— 输出信号脉冲重复频率，单位为赫兹(Hz)。

1.1 脉冲宽度和重复频率测量

太赫兹脉冲宽度和重复频率可以通过检波器+示波器进行测量。在太赫兹信号测量中，不能直接采用示波器进行时域脉宽测量，必须通过检波器将太赫兹信号转换为电平信号，然后在示波器上进行脉冲宽度及重复频率测量。

在太赫兹脉冲宽度和重复频率测量中，选用的检波器是反向电压检测器，检波频率范围为220～325GHz，灵敏度1500V/W，采样率5GSa/S，输入接口形式为WR-03，UG387法兰，输出为SMA接口。在测量过程中，将检波器的输入波导口与测试信号相连，检波输出口通过射频电缆与示波器相连，检波信号直接进入示波器输入端，在屏幕上显视超高频输出脉冲的包络。太赫兹检波包络如图2所示，在检波信号包络幅度3dB电平处测量脉冲宽度，脉冲重复频率通过示波器直接测量。

图2 太赫兹检波包络

1.2 平均功率测量

在脉冲功率测量中，通常有热电耦式和二极管检波式两种方式。测试方式的选取主要取决于功率探头，其中，热电耦式功率探头只能对平均功率进行测量，二极管检波式功率探头可以对脉冲功率进行测量。目前，受限于二极管检波技术水平，对于40GHz以下的功率信号可以通过脉冲式功率计进行直接测量，对于40GHz以上功率信号，只能采用热电偶式功率计进行平均功率测量。

在太赫兹脉冲功率测量中，平均功率可以通过功率计进行测量，选用的功率计测量频率范围为220～325GHz，功率范围为1μW～200mW。功率计由主机和探头扩频附件两部分组成，主机频率可以达到110GHz，接口形式为WR-10，UG387法兰，扩频附件是一段长度为25.4mm的渐变波导，该渐变波导将接口形式由WR-10转换为WR-03标准波导口，从而将测试频率扩展至325GHz。

在平均功率测量过程中，扩展附近的一端波导口与功率计主机相连，另一端波导口与测试信号的输出口相连，将转接波导的校准因子输入功率计主机，则功率计直接显示测试信号的平均功率。

2 测量误差分析及校准

测量误差按来源特性可分为随机误差和系统误差。在实际计量测试中，对一个被测量来说，往往可能有多种因素引入若干项误差，应将所有误差合理地合成起来。比较常见的测量误差合成方法有四种：分别为代数和法、绝对值和法、方和根法以及广义方和根法。其中，方和根法充分考虑了各项误差之间的抵偿，对随机性的误差，较为合理，也比较简单。

在通常的误差分析中，各项误差往往都可看成是不相关的，即相互独立的。系统的误差可以通过公式(2)计算得出

(2)

式(2)中，σi为分项误差；n为误差项数。

在太赫兹信号平均功率、检波脉宽及重复频率测试过程中，根据前述测量误差计算方法，通过方和根法及公式(2)，可以得出太赫兹脉冲功率总的测量误差为

(3)

其中，σp—输出信号平均功率相对测量误差；

στ—输出信号脉冲宽度相对测量误差；

σPRF—输出信号重复频率相对测量误差。

公式(3)中的平均功率、脉冲宽度和重复频率的测量误差主要由测试仪表决定，对于功率计相对测量误差为±5%，对于示波器在最佳设置下相对测量误差为±3%，则太赫兹脉冲信号功率测量总的相对误差等于±6.5%。

在太赫兹信号测量过程中，测量系统的校准效果会对测试结果产生较大的影响。通常情况下，测量系统校准可以采用两种方法：一种是采用标准太赫兹信号源馈入测量系统，在功率计上读取输出功率，两者的差值就是系统的损耗，该种校准方法适合于标准源输出信号较大，经过测量系统后的信号功率处于功率计的线性区；另一种方法是采用标准的矢量网络分析仪，将测量系统接入矢网的输入、输出端口，通过测量链路的插损得到系统的损耗，该种校准方法适合于有带宽测试需求，校准精度相对较高。同时，在测量过程中，为了减小端口失配对测量结果的影响，可以在待测信号的输出端口增加隔离器，改善端口驻波，提高测试精度。

3 结束语

本文对太赫兹脉冲功率测量方法进行重点研究，验证了一种通过测量太赫兹检波脉冲宽度、重复频率和平均功率，实现太赫兹脉冲功率测量方法的可行性，可以作为太赫兹脉冲功率测量的工程应用参考。