用于太赫兹近场测量的准光型探头、探测系统及探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于太赫兹近场测量的准光型探头、探测系统及基于该系统的探测方法，所述准光型探头设置在接收机之前,包括一块金属屏和一透镜,金属屏中心开有直径为D的小孔,金属屏的厚度t小于所述小孔的直径D，小孔外区域覆有吸波材料，且屏面面积不小于设定扫描的近场范围;所述透镜与金属屏平行放置,透镜中心与金属屏小孔的中轴线位于同一直线上,且透镜前后的准光学焦点分别落在金属屏小孔和接收机的天线口面上。本发明探头具有低损耗、易加工的优点，并能与热电子混频超导接收机配合使用，实现高灵敏度、高分辨率的太赫兹近场测量。
【专利说明】用于太赫兹近场测量的准光型探头、探测系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于太赫兹频段(含毫米波、亚毫米波波段)近场测量中的准光型探头、探测系统及基于该系统的探测方法，属于太赫兹测量技术研究领域。
【背景技术】
[0002]近场测量技术是电磁场场形测量中的重要方法，已被广泛应用于天线辐射特性测量、反射面全息测量、微波毫米波成像系统以及准光学系统等应用领域。相对于远场测量技术，近场测量的优势在于测量系统架构更为紧凑，成本更低，测量信噪比更高，并且通过一次测量就可获取不同测量距离上的近场分布以及全方位角内的远场分布。
[0003]近场测量中，对待测场分布进行感知和捕获的微小接收元件称为探头。为了提高测量的精度和分辨率，探头接收口面的物理尺寸要求足够小，通常远小于待测辐射源的口面尺寸。在微波和毫米波近场测量系统中，通常采用开口波导型的探头。这种类型的探头利用矩形波导的开口截面来感应射频电磁信号，具有成本低廉、结构简单等优点，但到了频率更高的亚毫米波和太赫兹频段，波导尺寸变为亚毫米量级，波导结构的精密加工变得更加困难。同时随着金属损耗在高频的显著增长，波导器件在亚毫米波和太赫兹频段的损耗也较高，在一定程度上影响测量系统的性能。更为重要的是在太赫兹频段，半导体接收机的探测灵敏度常常不满足测试需要，因此在该频段常常需要采用超导接收机，接收机的探测器置于密闭的低温杜瓦内，通过准光型的透镜天线实现与外部电磁信号耦合。在这种接收机配置条件下，波导型的近场探头已经不再适用，需要为其配备相应的准光型的探头。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题和不足，本发明提出了一种用于太赫兹频段(含毫米波、亚毫米波波段)近场测量中的准光型探头，能与热电子混频(HEB)超导接收机配合使用，实现高灵敏度、高分辨率的太赫兹近场测量。
[0005]为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为:
[0006]一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，设置在接收机之前，其特征在于，包括:
[0007]—金属屏，金属屏中心开有直径为D的小孔，厚度t小于所述小孔的直径D，小孔外的区域覆有吸波材料，屏面面积不小于设定扫描的近场范围；
[0008]一透镜，所述透镜与金属屏平行放置，透镜中心与金属屏小孔的中轴线位于同一直线上，且透镜前后的准光学焦点(束腰)分别落在金属屏小孔和接收机的天线口面上。
[0009]所述小孔的直径可以选定为2?5 λ，λ为待测辐射源的波长，为设定值。在该区间内，较小的孔径可以实现较高的空间分辨率，而较大的孔径有利于实现较高的探测灵敏度和信噪比。
[0010]作为优选，所述吸波材料可选择损耗系数不小于100dB/Cm (厚度)的吸收材料，如
高损耗硅胶薄膜等。[0011]作为优选，所述透镜为HDPE(高密度聚乙烯)透镜。在太赫兹的近场测量中，上述准光型探头与超导接收机、二维平面扫描支架配合使用，构成了整体探测系统，具体方案如下:
[0012]一种用于太赫兹近场测量的准光型探测系统，其特征在于，包括以下组成构件:
[0013]二维平面扫描支架，包括固定待测辐射源的平台和控制平台在二维平面X轴和Y轴向上位移的移动装置；
[0014]上述的准光型探头，所述准光型探头的金属屏与二维平面扫描支架的二维平面相平行；
[0015]热电子混频(HEB )超导接收机，接收机天线的中心与探头透镜中心、金属屏小孔的中轴线在同一直线上。
[0016]为了实现探头透镜与金属屏小孔之间的最大准光学耦合，所述透镜在小孔上的准光学焦点处的束腰半径W1应满足W1?D/3，优选W1=0.34D。
[0017]作为优选，所述超导接收机的天线可采用透镜天线。如接收机天线为硅透镜天线，为了实现探头透镜与硅透镜天线之间的最大准光学耦合，探头透镜位于天线口面上的准光学焦点处的束腰半径W2应满足W2?0.4DA，优选W2=0.4DA，上式中，Da为透镜天线的口面直径。
[0018]一种用于太赫兹场形测量的探测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0019]I)将设定波长的待测辐射源固定在二维平面扫描支架上，在需要测量近场分布的平面上放置中心开小孔的金属屏，使金属屏与所述二维平面扫描支架的二维平面保持平行；
[0020]2)在与待测辐射源相对的金属屏的另一侧依次放置HDPE透镜和采用硅透镜天线的超导接收机，并使HDPE透镜两侧的准光学焦点分别落在金属屏小孔和接收机的硅透镜天线口面上；
[0021]3)利用超导接收机读出信号强度，根据信号强度来调整金属屏、HDPE透镜及超导接收机天线之间的准直，使得金属屏小孔、HDPE透镜和硅透镜天线中心在一条直线上，完成调整后，固定金属屏、透镜及超导接收机不动；
[0022]4)启动二维平面扫描支架的移动装置，使待测辐射源在二维平面上平移，在扫描过程中，逐点记录接收机读出的信号幅度和相位；
[0023]5)扫描完成后，即得到待测辐射源的二维矢量近场分布。
[0024]上述方法中，开小孔的金属屏与HDPE透镜即构成了所述的准光型探头。
[0025]在步骤5)中，之后可通过近远场变换得到待测辐射源的远区辐射方向图。
[0026]在上述步骤中，金属屏、HDPE透镜与接收机之间的光学及结构参数设计采用以下方法:
[0027](A)金属屏的小孔直径D取为2?5 λ，λ为待测辐射源的波长(已知值)；
[0028](B)利用下述公式(I)、公式(2)计算出HDPE透镜两侧准光学焦点处的束腰半径:
[0029]W1=0.34D (I)
[0030]W2=0.4Da (2)
[0031]上式中，W1为透镜在小孔上的准光学焦点处的束腰半径、W2为透镜在接收机硅透镜天线口面上的准光学焦点处的束腰半径，Da为硅透镜天线的口面直径；[0032]将W1、W2分别带入公式(3 )、公式(4)中，求得R1、R2:
【权利要求】
1.一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，设置在接收机之前，其特征在于，包括: 一金属屏，金属屏中心开有直径为D的小孔，厚度t小于所述小孔的直径D，小孔外的区域覆有吸波材料，屏面面积不小于设定扫描的近场范围； 一透镜，所述透镜与金属屏平行放置，透镜中心与金属屏小孔的中轴线位于同一直线上，且透镜前后的准光学焦点分别落在金属屏小孔和接收机的天线口面上。
2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，其特征在于，所述小孔的直径为2~5 λ，λ为待测辐射源的波长。
3.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，其特征在于，所述吸波材料的损耗系数不小于100dB/cm。
4.根据权利要求3所述的一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，其特征在于，所述吸波材料为硅胶薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹近场测量的准光型探头，其特征在于，所述透镜为HDPE透镜。
6.一种用于太赫兹近场测量的准光型探测系统，其特征在于，包括以下组成构件: 二维平面扫描支架，包括固定待测辐射源的平台和控制平台在二维平面X轴和Y轴向上位移的移动装置； 如权利要求1-5中任一权项所述的准光型探头，所述准光型探头的金属屏与二维平面扫描支架的二维平面相平行； 热电子混频超导接收机，接收机天线的中心与探头透镜中心、金属屏小孔的中轴线位于同一直线上。
7.根据权利要求6所述的一种用于太赫兹近场测量的准光型探测系统，其特征在于: 所述透镜在小孔上的准光学焦点处的束腰半径W1=0.34D;所述接收机天线为硅透镜天线，则探头透镜位于天线口面上的准光学焦点处的束腰半径w2=0.4Da，上式中，Da为透镜天线的口面直径。
8.一种用于太赫兹场形测量的探测方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将设定波长的待测辐射源固定在二维平面扫描支架上，在需要测量近场分布的平面上放置中心开小孔的金属屏，使金属屏与所述二维平面扫描支架的二维平面保持平行； 2)在与待测辐射源相对的金属屏的另一侧依次放置HDPE透镜和采用硅透镜天线的超导接收机，并使HDPE透镜两侧的准光学焦点分别落在金属屏小孔和接收机的硅透镜天线口面上； 3)利用超导接收机读出信号强度，根据信号强度来调整金属屏、HDPE透镜及超导接收机天线之间的准直，使得金属屏小孔、HDPE透镜和硅透镜天线中心在一条直线上，完成调整后，固定金属屏、透镜及超导接收机不动； 4)启动二维平面扫描支架的移动装置，使待测辐射源在二维平面上平移，在扫描过程中，逐点记录接收机读出的信号幅度和相位； 5)扫描完成后，即得到待测辐射源的二维矢量近场分布。
9.根据权利要求8所述的 一种用于太赫兹场形测量的探测方法，其特征在于: 在步骤5)中，通过近远场变换得到待测辐射源的远区辐射方向图。
10.根据权8或9所述的一种用于太赫兹场形测量的探测方法，其特征在于，在上述步骤中，金属屏、HDPE透镜与接收机之间的光学及结构参数设计采用以下方法: (A)金属屏的小孔直径D取为2~5λ，λ为待测辐射源的波长； (B)利用下述公式(I)、公式(2)计算出HDPE透镜两侧准光学焦点处的束腰半径: W1=0.34D(I) W2=0.4Da(2) 上式中，W1为透镜在小孔上的准光学焦点处的束腰半径、W2为透镜在接收机硅透镜天线口面上的准光学焦点处的束腰半径，Da为硅透镜天线的口面直径； 将W:、W2分别带入公式(3)、公式(4)中，求得Rp R2:
【文档编号】G01J1/00GK103884422SQ201410116015
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】娄铮, 胡洁, 周康敏, 史生才 申请人:中国科学院紫金山天文台