太赫兹典型黑体简析

2018-11-23 来源:美克锐科技作者:张宇 我要评论(0) 字号:

2020年东京奥运会将亮相300GHz的超高速通讯系统。而下个月RPG公司将在8th ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications会议上展示670GHz宇航级太赫兹辐射计(MetOp-SG ICI)的性能测试结果。两年前发射的STO2望远镜核心载荷包括了SRON (荷兰宇航局)和荷兰Delft大学提供的1.4/1.9/4.7THz(噪声温度815K)辐射计。

不难看出太赫兹接收机是太赫兹雷达、通信技术的核心子系统。如何提供高性能太赫兹接收机是当下炙手可热的主题。从肖特基二极管、约瑟夫结、SIS、HEB、RTD科学家正在尝试的接收机技术路线办法不下十种。而接收机噪声温度是表征太赫兹接收机的重要指标,通俗的说就是太赫兹接收机可以探测的最小功率。

目前市场上仅有140GHz以下的接收机噪声温度测试方案,更高频率接收机、低噪放模块、混频器等噪声温度测试目前在测试测量领域仍是一片空白。

究其核心原因是缺少太赫兹定标黑体。太赫兹定标黑体可以有不同的结构,平板型、锲型以及空腔型等等不一而同,但是他们都面临着相同的挑战:

1.  传统红外定标黑体在3THz频率附近辐射功率直线下降,到300GHz辐射功率基本丧失殆尽 ,所以红外黑体无法延伸到太赫兹频段
2.  在太赫兹频段大面积黑体能够保持高能量均匀辐射
3.  在太赫兹频段大面积黑体能保持温度一致性(金字塔结构或尖劈型黑体在塔尖的温度往往更低)
4.  黑体保持低漫反射系数并覆盖较大带宽(<-35dB)
5.  黑体保持超低反向散射系数并覆盖较大带宽(<-40dB)
6.  实现大范围温度精确可控可调(低温面临结露结霜难题,高温面临材料稳定性难题)

针对这些挑战,科学家们依托多项太赫兹相关项目开发出了多种太赫兹黑体。以下目前太赫兹部分典型黑体信息统计:

相关项目ALMAMetOp-SG MWIMetOp-SG ICIFY-3
厂家欧洲南方天文台卢瑟福Thomas Keating Ltd俄罗斯物理研究院
国家欧洲英国英国俄罗斯
材料多种吸波材料混合物CR110, CR114 (环氧树脂), CRS117 (有机硅)铝基底+吸波涂层(环氧树脂铁粒子)吸波涂层环氧树脂羰基铁粉单晶硅
形状锥筒金字塔阵列锥筒锥筒
使用场景地面地面星载星载
工作频率31-950GHz14-229GHz180-670GHz87-190GHz
工作温度20°C-90°C-190°C-80°C-40°C-30°CNA
有效口径200mm>1000mm150mmx100mmNA
S11-60dBNA-50dBNA
EmissivityNA0.99995NA0.9999
定标精度±0.3K±0.1 KNANA
优点电性能/热性能优异电性能优异
体积紧凑
电性能/热性能优异电性能/热性能优异
缺点体积大热性能较差体积大体积大

图一.MetOp-SG MWS/MWI地面校准黑体(图片来自卢瑟福实验室)

图二.ALMA望远镜校准黑体(图片来自英国TK公司)

图三. MetOp-SG ICI 星载校准黑体和S11测试指标(热源,图片来自英国TK公司)

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