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        太赫茲典型黑體簡析

        2018-11-23 來源:美克銳科技 作者:張宇 字號:

        2020年東京奧運會將亮相300GHz的超高速通訊系統。而下個月RPG公司將在8th ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications會議上展示670GHz宇航級太赫茲輻射計(MetOp-SG ICI)的性能測試結果。兩年前發射的STO2望遠鏡核心載荷包括了SRON (荷蘭宇航局)和荷蘭Delft大學提供的1.4/1.9/4.7THz(噪聲溫度815K)輻射計。

        不難看出太赫茲接收機是太赫茲雷達、通信技術的核心子系統。如何提供高性能太赫茲接收機是當下炙手可熱的主題。從肖特基二極管、約瑟夫結、SIS、HEB、RTD科學家正在嘗試的接收機技術路線辦法不下十種。而接收機噪聲溫度是表征太赫茲接收機的重要指標,通俗的說就是太赫茲接收機可以探測的最小功率。

        目前市場上僅有140GHz以下的接收機噪聲溫度測試方案,更高頻率接收機、低噪放模塊、混頻器等噪聲溫度測試目前在測試測量領域仍是一片空白。

        究其核心原因是缺少太赫茲定標黑體。太赫茲定標黑體可以有不同的結構,平板型、鍥型以及空腔型等等不一而同,但是他們都面臨著相同的挑戰:

        1.  傳統紅外定標黑體在3THz頻率附近輻射功率直線下降,到300GHz輻射功率基本喪失殆盡 ,所以紅外黑體無法延伸到太赫茲頻段
        2.  在太赫茲頻段大面積黑體能夠保持高能量均勻輻射
        3.  在太赫茲頻段大面積黑體能保持溫度一致性(金字塔結構或尖劈型黑體在塔尖的溫度往往更低)
        4.  黑體保持低漫反射系數并覆蓋較大帶寬(<-35dB)
        5.  黑體保持超低反向散射系數并覆蓋較大帶寬(<-40dB)
        6.  實現大范圍溫度精確可控可調(低溫面臨結露結霜難題,高溫面臨材料穩定性難題)

        針對這些挑戰,科學家們依托多項太赫茲相關項目開發出了多種太赫茲黑體。以下目前太赫茲部分典型黑體信息統計:

        相關項目 ALMA MetOp-SG MWI MetOp-SG ICI FY-3
        廠家 歐洲南方天文臺 盧瑟福 Thomas Keating Ltd 俄羅斯物理研究院
        國家 歐洲 英國 英國 俄羅斯
        材料 多種吸波材料混合物CR110, CR114 (環氧樹脂), CRS117 (有機硅) 鋁基底+吸波涂層(環氧樹脂鐵粒子) 吸波涂層環氧樹脂羰基鐵粉 單晶硅
        形狀 錐筒 金字塔陣列 錐筒 錐筒
        使用場景 地面 地面 星載 星載
        工作頻率 31-950GHz 14-229GHz 180-670GHz 87-190GHz
        工作溫度 20°C-90°C -190°C-80°C -40°C-30°C NA
        有效口徑 200mm >1000mm 150mmx100mm NA
        S11 -60dB NA -50dB NA
        Emissivity NA 0.99995 NA 0.9999
        定標精度 ±0.3K ±0.1 K NA NA
        優點 電性能/熱性能優異 電性能優異
        體積緊湊
        電性能/熱性能優異 電性能/熱性能優異
        缺點 體積大 熱性能較差 體積大 體積大

        圖一.MetOp-SG MWS/MWI地面校準黑體(圖片來自盧瑟福實驗室)

        圖二.ALMA望遠鏡校準黑體(圖片來自英國TK公司)

        圖三. MetOp-SG ICI 星載校準黑體和S11測試指標(熱源,圖片來自英國TK公司)

        主題閱讀:太赫茲
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