一种五维可调的太赫兹接收芯片响应度测量系统及方法与流程

本发明涉及一种接收芯片响应度测量领域，特别涉及一种五维可调的太赫兹接收芯片响应度测量系统及方法。

背景技术：

随着对太赫兹探测系统小型化、轻量化的应用需求，太赫兹接收芯片得到日益广泛的关注与应用。其中，响应度是太赫兹接收芯片的重要指标，其性能好坏关系到接收芯片乃至整个太赫兹探测系统的作用距离及应用范围。响应度的准确测量受入射功率标定、片上天线方向性、接收芯片有效面积、响应电压等多个参数影响，然而目前由于缺少可靠的有效面积测试手段，造成接收芯片响应度测量不够准确，接收芯片性能参数评价不够可靠。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种五维可调的太赫兹接收芯片响应度测量系统及方法，解决现有太赫兹响应度测量系统因无法准确测量接收芯片有效面积而造成的响应度测量不准的问题。

对此，本发明提出一种太赫兹接收芯片响应度测量系统，包括：频率源、信号源、准直系统、控制模块、五维可调节结构、功率计、斩波器、锁相放大器和上位机。其中五维可调节结构包括水平移动台、垂直移动台、转换支架、极化方向调节支架、接收芯片、焦距调节平移台和入射角旋转支架。频率源的输出口与信号源基频输入口连接，频率源的同步输出口与斩波器的参考频率输入口连接，斩波器输出口与锁相放大器参考频率输入端连接；信号源辐射太赫兹波能量，经过准直系统，空馈汇聚到功率计或五维可调节结构上的接收芯片处；五维可调节结构或功率计的输出与锁相放大器信号输入端相连，锁相放大器输出端与上位机输入端连接。

其中，所述五维可调节结构中，接收芯片固定于极化方向调节支架，极化方向调节支架固定于焦距调节平移台，焦距平移台固定于入射角旋转支架，入射角旋转支架通过转换支架固定于垂直移动台，垂直移动台固定于水平移动台。

基于五维可调节结构的太赫兹接收芯片响应度测量方法如下：

第一步接收芯片处入射太赫兹波功率标定。

信号源输出待测太赫兹辐射信号，经准直系统空馈汇聚至功率计处。分别测量总功率pt以及完全遮挡太赫兹波信号后的噪声功率pn，计算接收芯片处入射功率pr为：

其中：fa为功率计随频率变化而调整的工作系数。

第二步接收芯片响应度测量前位置调试。

调节极化方向调节支架，将接收芯片片上天线极化方向调至与太赫兹辐射信号相同；调节入射角旋转支架，选择合适的入射角度；调节水平移动平移台、垂直移动平移台、焦距调节平移台，令接收芯片处于太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处。

第三步固定极化方向、固定入射角度接收芯片响应度测量。

信号源输出波长为λ、功率为pr的太赫兹辐射信号，经准直系统空馈汇聚至接收芯片处；固定接收芯片极化方向及太赫兹辐射信号入射方向，控制模块控制水平移动台和垂直移动台移动，移动步长分别为dx和dy，令接收芯片可在xy二维平面内移动，完成对准直系统汇聚焦斑的扫描成像。接收芯片在每一点处的产生响应电压为vd，经锁相放大器采集，输入至上位机。扫描完成后，通过控制模块令接收芯片返回至太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处。

第四步接收芯片有效面积测量。

调节入射角旋转支架改变太赫兹辐射信号入射方向，调节焦距调节平移台令接收芯片处于太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处，重复第三步，直至测量完当前极化方向的所有入射角度。测量完成后，通过控制模块令接收芯片返回至太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处，旋转极化方向调节支架，将接收芯片旋转90°，同时将信号源旋转90°，重复第四步，完成另一个极化方向的角度测量。测量完成后，可得接收芯片片上芯片方向性d及接收芯片有效面积aeff为：

其中：θe和θh为e平面和h平面的3db带宽；

λ为入射太赫兹波波长。

最终，可求得接收芯片电压响应度为

至此，完成了太赫兹接收芯片响应度测量。

本发明采用五维可调节固定支架提供接收芯片有效面积测量，为太赫兹接收芯片电压响应度测量提供了一种精确的测量方式。操作简单，具有可重复性，提高了太赫兹接收芯片电压响应度测量的准确性、通用性与灵活性。

附图说明

图1是本发明的太赫兹接收芯片响应度测量系统结构示意图。

1.频率源2.信号源3.准直系统4.控制模块5.五维可调节结构6.功率计7.斩波器8.锁相放大器9.上位机

图2是五维可调节结构组成示意图。

a.水平移动台b.垂直移动台c.转换支架d.极化方向调节支架e.接收芯片f.焦距调节平移套g.入射角旋转支架

具体实例方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做出详细说明。

本发明提出的一种太赫兹接收芯片响应度测量系统包括：频率源1、信号源2、准直系统3、控制模块4、五维可调节结构5、功率计6、斩波器7、锁相放大器8和上位机9。其中五维可调节结构包括水平移动台a、垂直移动台b、转换支架c、极化方向调节支架d、接收芯片e、焦距调节平移台f和入射角旋转支架g。

频率源1的输出口与信号源2基频输入口连接，频率源1的同步输出口与斩波器7的参考频率输入口连接，斩波器7输出口与锁相放大器8参考频率输入端连接；信号源2辐射太赫兹波能量，经过准直系统3，空馈汇聚到功率计6或五维可调节结构5上的接收芯片e处；五维可调节结构5或功率计6的输出与锁相放大器8信号输入端相连，锁相放大器8数据输出端与上位机9输入端连接。

针对五维可调节结构5，接收芯片e固定于极化方向调节支架d，极化方向调节支架d固定于焦距调节平移台f，焦距调节平移台f固定于入射角旋转支架g，入射角旋转支架g通过转换支架c固定于垂直移动台b，垂直移动台b固定于水平移动台a。

太赫兹接收芯片响应度测量方法如下：

第一步接收芯片处入射太赫兹波功率标定。

信号源2输出待测太赫兹辐射信号，经准直系统3空馈汇聚至功率计6处。分别测量总功率pt以及完全遮挡太赫兹波信号后的噪声功率pn，计算接收芯片e处入射功率pr为：

其中：fa为功率计随频率变化而调整的工作系数。

第二步接收芯片响应度测量前位置调试。

调节极化方向调节支架d，将接收芯片e片上天线极化方向调至与太赫兹辐射信号相同；调节入射角旋转支架g，选择合适的入射角度；调节水平移动平移台a、垂直移动平移台b、焦距调节平移台f，令接收芯片e处于太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处。

第三步接收芯片响应度测量。

信号源2输出波长为λ、功率为pr的太赫兹辐射信号，经准直系统3空馈汇聚至接收芯片e处；固定接收芯片极化方向及太赫兹辐射信号入射方向，控制模块4控制水平移动台a和垂直移动台b移动，移动步长分别为dx和dy，令接收芯片e可在xy二维平面内移动，完成对准直系统3汇聚焦斑的扫描成像。接收芯片e在每一点处的产生响应电压为vd，经锁相放大器8采集，输入至上位机9。扫描完成后，通过控制模块4令接收芯片e返回至太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处。

第四步接收芯片有效面积测量。

调节入射角旋转支架g改变太赫兹辐射信号入射方向，调节焦距调节平移台f令接收芯片e处于太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处，重复第三步，直至测量完当前极化方向的所有入射角度。测量完成后，通过控制模块4令接收芯片e返回至太赫兹信号汇聚焦点位置电压响应最大值处，旋转极化方向调节支架d，将接收芯片e旋转90°，同时将信号源2旋转90°，重复第四步，完成另一个极化方向的角度测量。测量完成后，可得接收芯片e片上芯片方向性及接收芯片e的有效面积aeff为：

其中：

d为片上天线方向性；

θe和θh为e平面和h平面的3db带宽；

λ为入射太赫兹波波长。

最终，可求得接收芯片e的电压响应度为

至此，完成了太赫兹接收芯片响应度测量。

本发明采用五维可调节固定支架提供接收芯片有效面积测量，为太赫兹接收芯片电压响应度测量提供了一种精确的测量方式。操作简单，具有可重复性，提高了太赫兹接收芯片电压响应度测量的准确性、通用性与灵活性。