太赫兹典型黑体简析

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	ALMA	MetOp-SG MWI	MetOp-SG ICI	FY-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	31-950GHz	14-229GHz	180-670GHz	87-190GHz
工作温度	20°C-90°C	-190°C-80°C	-40°C-30°C	NA
有效口径	200mm	>1000mm	150mmx100mm	NA
S11	-60dB	NA	-50dB	NA
Emissivity	NA	0.99995	NA	0.9999
定标精度	±0.3K	±0.1 K	NA	NA
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）