太赫兹平面近场测量技术研究

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1、密级:公开博士学位论文太赫兹平面近场测量技术研究作者姓名：胡洁指导教师:史生才研究员中国科学院紫金山天文台学位类别:理学博士学科专业:天体物理研究所:中国科学院紫金山天文台2017年11月InvestigationofPlanarNear-FieldmeasurementatTerahertzBandsByJieHuADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegr

2、eeofDoctorofAstrophysicsPurpleMountainObservatoryNovember,2017摘要太赫兹（THz）波段具有十分广阔的应用前景，是目前天文学与大气科学研究的重要波段。常用的太赫兹探测系统均有光学系统。太赫兹近场测量技术是表征太赫兹波段光学系统特性的重要手段。太赫兹近场测量在天线近场区进行测试，其测试环境可控，并可以在一次测量过程中得太赫兹光学系统的一定角度内的所用辐射特性，包括幅度，相位及交叉极化特性。由于太赫兹波段的频率高，近场测量技术在太赫兹波段的精度及测量速度受到探测器灵敏度，扫描

3、架定位精度及环境稳定性方面的限制，因而需要在相位校准，扫描方式等方面进行一步研究。本论文的主要研究内容及创新点包括：1.构建可搬移的0.1~0.85THz太赫兹平面近场测量系统，其中系统参考相位校准采用数字倍频的方式进行校准，移动电缆相位变化采用了一种基于环型器反射的相位校准方案进行校准；提出了一种适用于高增益天线的测量的准光型探头，成功测量了0.85THz对角喇叭及0.23THz波纹喇叭；2.详细比较了不同太赫兹平面近场扫描方式，步进扫描与OTF（On-the-Fly）扫描。针对OTF结果的扫描效应，提出了一种基于测量结果二次导

4、数的校准方案，并使OTF测量结果与步进扫描测量结果精度相当，而效率提高了约7倍；3.设计并测试了基于MEMS工艺的0.18~0.32THz曲面轮廓波纹喇叭。测试结果表明，在0.18~0.32THz范围内，回波损耗约小于-17dB，增益大于18dB。其远场方向图分别采用近场测量与直接远场测量进行比较，二者均与仿真结果吻合良好；4.测量了应用于大气观测的太赫兹超导波谱仪的近场分布，并根据测量结果计算了其远场特性，给出了测量系统的误差上界。此外，还利用物理光学法对B2波段进行了详细分析。本论文的研究工作加深了对太赫兹波段近场测量的探头，

5、相位校准方案、及扫描方式的理解，为测试太赫兹光学系统提供了解决方案并为后续研究更大扫描范围，更高测试频率的近场测量系统打下了重要基础。关键词：太赫兹，近场，OTF扫描，波纹喇叭，相位校准IIIAbstractTerahertz(THz)bandshaveavarietyofapplicationsandarecurrentlyimportantwavebandinbothastronomyandatmospherescience.AcommonTHzsystemconsistsofopticalsystemanddetectors

6、ystem.PlanarTHznear-fieldmeasurementmethodisoneofmaintechnologiesthatareusedtocharacterizetheTHzopticalsystems.PlanarTHznear-fieldmeasurementstakeplaceinthenear-fieldofantennasinaclimate-andelectromagnetic-controlledenvironment.Theoverallparametersoftheantennaintherad

7、iationfieldincludingamplitude,phaseandcrosspolarizationcanbeobtainedinasinglemeasurement.Duetothehighfrequencynatureofterahertzwave,themeasurementaccuracyofthenear-fieldapproachislimitedbythesensitivityofthedetectors,thepositioningaccuracyofthescannersandthermalstabil

8、ityoftheenvironment.Thus,thephasecalibrationandscanningmethodneedtobefurtherstudied.Themainresultsareasfollows:1.Implementat