太赫茲計量測試技術

█ 北京無線電計量測試研究所 諶 貝 程 晴 馬紅梅

█ 中央軍委裝備發展部國防知識產權局 王寶龍

一、前言

太赫茲波的頻段位于微波與紅外光之間，其頻率范圍為100GHz~10THz，結合了毫米波與紅外光的部分特性，具有很高的研究價值和應用潛力，太赫茲科學與技術是當今交叉學科的前沿研究領域。太赫茲波具有帶寬大、穿透能力強、光子能量低、時間和空間相干性高、抗干擾能力強等優良特性，在寬帶無線通信、衛星通信、遙感遙測、無損探傷、成像安檢、醫療診斷、環境檢測、農業應用等方面展現出巨大的應用前景。近十幾年來，太赫茲技術在世界范圍內獲得了廣泛關注。從戰略規劃的角度，美國將太赫茲技術列為改變未來世界的十大技術之一，日本政府將太赫茲技術列為國家支柱十大重點戰略目標之首，而我國自2005年的“香山科學會議”起就正式確立了太赫茲科學技術的發展方向。隨著基礎技術研究的不斷深入和轉化，太赫茲技術及產品逐步形成產業化規模，并在最近形成了諸如“太赫茲產業技術創新聯盟”“毫米波太赫茲產業發展聯盟”“太赫茲產業標準聯盟”等專業團體，有望進一步整合技術能力和產業資源，推動太赫茲技術的進一步升級。

但與之形成對比的是，長期以來太赫茲計量測試技術的發展滯后于太赫茲其他技術，形成了計量學上的太赫茲空白。計量測試技術是所有實驗科學和工程測量領域中必不可少的環節，用于合理表征設備指標和系統性能，評價測量結果，為其他技術提供支撐。成熟的測量領域必然具有高水平的計量能力及共同認可的標準。然而太赫茲技術雖然得到快速發展，但是高端儀器與器件的缺乏導致長期以來太赫茲計量測試技術相對滯后。近些年來，得益于太赫茲器件和快速光學設備的高速發展，太赫茲計量測試逐漸獲得關注，并成為太赫茲技術的一個重要方向。

由于太赫茲的頻段位于微波和遠紅外之間，因此早期的研究者多具有微波技術或光學技術背景。這就使得當前的太赫茲技術研究可分為兩類：基于微波上變頻技術和基于光學下變頻技術。這兩類研究都是當前的主流，各有優勢。在太赫茲計量測試中也是如此，兩類方法相互補充，體現出傳統的單一方法所不具備的特點。

在太赫茲計量測試技術研究初期，美國和歐洲的相關計量機構處于領先地位，他們較為系統地開展了涉及太赫茲頻段的計量測試技術研究，其中較有代表性的研究機構有美國國家標準技術研究院（NIST）、英國國家物理研究院（NPL）、德國國家物理技術研究院（PTB）等。我國太赫茲計量測試技術的研究起步稍晚，但發展非常迅速，包括中國計量科學研究院（以下簡稱“中國計量院”）、北京無線電計量測試研究所、西安應用光學研究所、中國電子科技集團有限公司第四十一研究所（以下簡稱“中電四十一所”）等在內的眾多科研院所都在積極開展相關研究，并已形成各自具有代表性的研究方向。

二、太赫茲計量測試技術研究現狀

本文參考傳統無線電計量專業中所使用的“參數”概念對太赫茲計量測試技術進行分類，這種分類方法也是當前行業中廣泛采用的方式。

（一）功率與輻射參數

在太赫茲頻段，功率參數是最基礎的參數之一。對于絕對功率測量而言，實際基本都是基于電替代輻射測試技術，這是一種測量輻射熱的技術。該測量技術中最基本的組件是溫度計和吸收體，并常輔以電加熱器。被測功率在吸收體上不斷積累引起溫度變化，直流能量在電加熱器上的積累也會引起溫度計的響應。將兩者進行對比，就能夠獲得待測功率。這種方法已經能夠獲得很高的測量準確度，是非常成熟的技術。

在2011年之后，計量研究機構逐步開始建立太赫茲功率標準。NIST和NPL建立了同軸連接形式覆蓋50GHz、波導連接形式覆蓋110GHz的量熱式/微量熱式小功率標準裝置，以及基于六端口/直接比較法的傳遞系統。NIST研制了覆蓋140~220GHz的量熱式功率標準，并研制了以水為吸收媒質的簡易黑體，或者稱為“太赫茲阱”，能夠作為可溯源的參考標準，如圖1所示[1]。最近，日本國家計量院（NMIJ）研制了基于單模WR-03波導的精密量熱計，用于建立220~330GHz頻段的太赫茲功率測量標準，如圖2所示[2]。

圖1 美國NIST研制的水黑體校準源結構圖[1]

圖2 日本NMIJ研制的220～330GHz頻段太赫茲功率標準的精密量熱計[2]

圖3 太赫茲功率比對中使用的校準原理圖（左圖）和被測功率探測器（右圖）[3]

北京無線電計量測試研究所目前的校準能力已經達到170GHz，并能夠開展325GHz的功率測試。值得一提的是，2015年，PTB、NIST和中國計量院進行了一次國際太赫茲功率比對[3]，圖3為該次比對中PTB使用的校準系統與太赫茲探測器，選擇比對的頻率為2.52THz和0.762THz，功率在3mW左右，比對結果顯示，3家參比實驗室的太赫茲功率計測量結果在擴展不確定度內符合得很好，說明我國的太赫茲功率測試實現了與國際其他機構的量值統一。

在實際應用中，輻射計是功率計量標準的常見形式，也是需要進行功率計量的典型設備之一。NPL在20世紀80年代進行了一組非常著名的紅外低溫輻射測定工作[4]，并將測定結果用在斯忒藩–玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）常數的精確測定中。這些研究催生了一代低溫輻射計[5]，其成為現代高準確度紅外功率測量和國際標準的基礎。輻射計已經廣泛應用于遙感、探測等實際測量過程中，例如，我國的風云和海洋系列衛星、神舟系列飛船、嫦娥系列飛行器等型號中都采用了輻射計。輻射計測量的動態范圍非常大，但是所測量的信號非常微弱，所以需要進行準確可靠的定標。北京無線電計量測試研究所在輻射計研制和定標方面處于國內領先水平，輻射計真空定標源的頻率覆蓋10~220GHz，全極化輻射計測試能力覆蓋500GHz。

由于自由空間中功率計量測試的不確定度可能要比通過波導傳輸方法更低，且其系統組件的制作相對容易，所以當前包括NIST在內的眾多研究機構都將目光關注在自由空間中。而隨著太赫茲技術的發展，諸如雷達、通信、檢測等實際應用也越來越多地采用空間傳輸形式，所以如何能夠更好實現自由空間的太赫茲功率計量測試將成為下一步的研究重點。

（二）網絡參數

當前太赫茲源的輸出功率還很低，但太赫茲信號的傳輸損耗卻很高。為了保證太赫茲波在傳輸介質中的效率，同時減小傳輸損耗和避免發生大功率擊穿，通常都盡量使傳輸線系統處于行波狀態，從而避免反射和駐波的產生。也就是說，微波網絡理論同樣適用于太赫茲頻段的信號。對于一個太赫茲的網絡，如果能夠獲得散射參數（S參數），就可以變換得到反射、阻抗、衰減等量值，從而實現對太赫茲網絡參數的計量測試。

利用矢量網絡分析儀進行S參數的測量已經從早期的110GHz發展至太赫茲頻段，現在已經有眾多達到1THz的矢量網絡分析儀（VNA）或擴頻模塊實現了商用化，如圖4所示。美國Keysight、德國R&S、法國AB Millimeter等廠家，都已經具備達到太赫茲頻段的網絡分析能力，國內中電四十一所（思儀公司）也推出了太赫茲頻段網絡分析儀，這些發展對網絡參數提出了太赫茲頻段計量測試新需求。

圖4 典型網絡分析儀系統及擴頻模塊[6]

NIST采用雙六端口/VNA系統建立了同軸/波導接頭形式的S參數標準裝置，開展了110GHz以上波導頻段的S參數校準技術研究，頻段可達500~750GHz[7]。英國NPL采用VNA系統建立了同軸/波導接頭形式的S參數標準裝置，開展了110~170GHz、140~220GHz頻段的S參數校準技術研究，并搭建了相應的測量系統，用于實現校準件、網絡分析儀等設備的誤差分析。針對單端口和雙端口器件，PTB已具備同軸連接形式覆蓋110GHz、波導連接形式覆蓋325GHz的測量能力[6]。北京無線電計量測試研究所目前已建立同軸連接形式到50GHz、波導連接形式覆蓋110GHz的S參數標準裝置，可實現的校準測試能力覆蓋220GHz，正準備開展220~500GHz頻段的S參數校準技術研究。此外，基于網絡分析系統還能夠實現材料的太赫茲頻段測試，例如，圖5給出了利用波導進行材料測試的方法[8]。

除了以同軸、波導連接的網絡系統之外，對片上S參數的計量測試研究已經成為一個新熱點，其技術需求背景更加明確。NIST已經開展了片上S參數的校準技術研究工作，頻率覆蓋500GHz，主要研究內容包括片上測量不確定度的分析、毫米波探針的誤差模型計算及校準基片的設計制作等。美國噴氣推進實驗室（JPL） 報道了220~325GHz頻段的片上S參數測量系統，如圖6所示[9]。NPL也開展了片上S參數的校準技術研究工作，搭建了亞毫米波片上S參數校準裝置，并且設計研制了各個頻段的片上S參數檢驗件作為標準。北京無線電計量測試研究所的片上S參數測量能力已達至220GHz，并正在進一步向更高頻率拓展。

圖5 基于波導的太赫茲頻段材料測試實物及原理圖[8]

我國的S參數計量能力距離真正滿足太赫茲頻段的要求尚有很大差距，國外的能力優于國內的主要原因是網絡分析儀、探針等硬件設施的優勢，以及我國在軟件、算法等方向上的研發能力不足。從該角度而言，我國的儀器研發和生產能力還遠遠落后于發達國家。而以中電四十一所為代表的國產設備廠商正在快速開展技術攻關，并逐步推出完全國產化的產品，有望在不久的將來對國內的計量測試能力建設提供有力支撐。

（三）脈沖波形參數

隨著寬帶通信等領域的快速發展，很多超快、超高速、超寬帶的儀器設備（如寬帶示波器、超快脈沖產生器、高速光電探測器等）被成功開發出來并大量投入使用。脈沖參數是這類設備的關鍵指標，直接反映了其響應速度和信息處理能力。這類設備的帶寬已達太赫茲頻段，傳統的電子學設備無法滿足其計量測試需求，因此對太赫茲脈沖計量測試技術提出了更高的要求。

圖6 WR3波導的片上S參數測量系統[9]

融合光、電技術的電光取樣技術（EOS）的測量帶寬可達數百吉赫茲，為太赫茲脈沖的計量提供了有效的手段。近年來，國際知名計量機構如NPL、NIST和PTB等均開展了太赫茲脈沖計量技術的研究，并建立了相應的計量標準。其中所涉及的原理基本相似，都是采用飛秒激光脈沖激勵光導開關等器件產生高帶寬的超快脈沖，利用EOS對所產生的太赫茲脈沖進行準確測量，校準后的太赫茲脈沖可以應用于太赫茲頻段設備的校準。這種方法產生的太赫茲脈沖的脈沖寬度在1ps左右，經共面波導、微波探頭和同軸電纜傳輸后，展寬到3~4ps。EOS系統采用精密的位移平臺作為延時器件，可通過校準位移平臺實現EOS掃描時間的校準，并最終溯源至基本量長度，建立完善的溯源鏈。

PTB和NPL使用該技術對帶寬50GHz的取樣示波器的沖激響應進行了校準，測得的信號半高寬分別為6.3ps和6.5ps，擴展不確定度約為1.2ps。PTB和NPL都基于電光取樣原理建立了寬帶取樣示波器的標準裝置，并開展了相應的校準服務。PTB所采用的原理如圖7所示[10]。

NIST利用EOS技術研究了高速光電探測器的校準技術，得到了共面波導上的超快電脈沖時域波形[11]，原理如圖8所示。通過測量共面波導取樣參考面上的電脈沖波形，再采用相應的修正方法來修正微波探頭和共面波導對脈沖波形產生的影響，準確測定了高速光電探測器在0.2~110GHz范圍的幅頻響應，并分析了測量不確定度。NIST還研究了利用系統校準后的高速光電探測器校準寬帶取樣示波器的技術，利用校準后的高速光電探測器作為傳遞裝置開展了取樣示波器的校準服務，并針對示波器的響應提出一系列的修正技術，如圖9所示。目前，美國NIST超快電脈沖波形校準能力可達200GHz，能夠滿足商用寬帶取樣示波器的校準要求[12]。此外，韓國標準與科學研究院和法國國家計量研究院利用內電光取樣技術研建了超快電脈沖波形測量系統，并實現對帶寬50GHz的脈沖波形的測量[13,14]。

圖7 德國PTB超快電脈沖波形測量系統的原理示意圖[10]

圖8 美國NIST的高速光電探測器測量系統[11]

圖9 示波器響應修正的流程圖

我國的脈沖波形參數計量能力已步入國際領先行列，中國計量院和北京無線電計量測試研究所已經建設了太赫茲脈沖波形的計量能力，上升時間測量可達5ps，還受邀參加了2018年的國際太赫茲脈沖波形測量能力比對。但是對于更高帶寬的儀器與器件而言，當前國內計量測試能力還不能夠滿足應用需求，有待進一步提高。

（四）頻率參數

頻率作為電磁波重要的基本參數之一，其準確測量與傳遞極其重要。自2005年J.Hall等人因光學頻率梳獲得了諾貝爾物理學獎以來[15]，基于飛秒激光頻率梳技術的測量方法已經從一個理念變成了準確測量光學波段頻率最可靠的手段。2008年，日本大阪大學的研究者首次將頻率梳的概念推廣到太赫茲波段，并基于頻率梳原理對太赫茲頻率進行了測量，使被測源的頻率誤差低至0.56Hz，相對不確定度達到2.4×10-11[16]。光頻梳作為準確測量頻率的尺子，其在太赫茲波段應用的原理如圖10所示。重復頻率為f的飛秒光學頻梳與光電導天線作用可產生穩定的太赫茲頻梳，第m根梳齒的頻率為mf，然后將待測太赫茲波fx與太赫茲頻梳混頻，兩者差拍產生射頻信號fb，fb和f可由射頻儀器直接測量。

國內外更多的學者將太赫茲頻率溯源研究鎖定在頻率梳上，并將太赫茲頻率溯源至原子頻標上[17–19]，實現量值溯源至國際單位制基本量。2009年，NPL采用通過自主研制的薄片干涉組件實現了50GHz~5THz的頻率測量，通過薄片金屬柵的位移來標定所測太赫茲頻率，也使得其能將太赫茲頻率溯源至長度標準上[20]。2011年，PTB采用同步非穩定重復頻率太赫茲系統實現了12×10-14的相對不確定度，誤差僅為0.001Hz，原理如圖11所示[21]。2016年，日本情報通信研究機構（NICT）采用鎖相技術實現了單模3THz量子級聯激光器的頻率穩定度測量，該測量結果表明，在外差混頻產生的噪聲忽略不計的情況下，頻率穩定度在10-15量級，與微波時頻基準水平相當[22]。

圖10 太赫茲頻率梳原理圖[16]

圖11 同步非穩定重復頻率太赫茲系統原理圖[21]

光頻梳在頻率測量準確度方面更有優勢，作為未來高準確度頻率校準手段將得到更廣泛的關注。傳統的光頻梳系統需要很多體積、質量較大的設備，影響了其進一步的拓展。不過，隨著精密加工工藝的發展，許多光頻梳系統中的關鍵設備可以使用高度集成的形式，如圖12所示[23]，這將進一步推動光頻梳技術的應用。目前，國內對光學頻率梳技術已開展了較多的研究[24,25]，但是將該技術用于太赫茲頻率測量的報道還較少。

（五）光譜參數

太赫茲光譜技術是近些年來迅速發展且應用領域不斷擴大的一種新型測量和分析手段。20世紀80年代，AT&T、Bell實驗室和IBM公司的T. J. Watson研究中心提出了一種非常有效的相干探測技術。因為其所針對的頻段范圍，早期又被稱為遠紅外頻譜技術。通過分析和處理光譜信號就可以獲得被測樣品的復介電常數、復折射率、吸收系數等參數，實現樣品的物質識別，獲得大量重要的物理和化學信息。該技術已經推廣至太赫茲成像、太赫茲雷達等應用領域，解決其計量問題成為當務之急。

NPL對太赫茲光譜校準開展了一系列研究，包括參數估計、信號處理、測量表征、測量不確定度和校準方法等方面。在校準方法方面，NPL對與頻率相關的動態范圍、信噪比、測量帶寬提出了具體的校準方法。通過對一系列的標準材料進行表征，設計制作了能夠用于太赫茲光譜校準的標準氣體室和高阻硅片組，可以用于頻率準確度和幅度線性度的校準，如圖13所示。NPL還從系統和被測樣品兩方面對測量不確定度的來源進行了分析[26]。

澳大利亞阿德萊德大學利用物理模型對樣品和太赫茲波之間的作用進行了研究，并首次針對提取后參數的測量不確定度進行了系統性分析。阿德萊德大學對系統和測量過程中的誤差來源進行了歸納，并計算了每個誤差來源對最終輸出量的影響，如圖14所示[27]。

NMIJ研究了針對太赫茲光譜分析儀的一套簡單的校準方法，利用光學透明的太赫茲空氣標準具，該標準具適用于近紅外和太赫茲頻域，其頻率誤差在±3GHz以內，相對不確定度小于1%。此外，NMIJ利用金屬膜衰減片組設計了程序控制的太赫茲步進衰減器，并具有良好的重復性和平坦度，如圖15所示，能夠在一個很寬的動態范圍內對太赫茲光譜分析儀進行線性度估計[28]。

中國計量院鄧玉強等人使用太赫茲反射脈沖作為傳遞標準，對太赫茲光譜分析儀的線性時基誤差進行了校準，對平移臺的線性誤差進行了修正，提高了光譜的可重復性，其實驗原理圖如圖16所示[29]。該技術可以對每個太赫茲脈沖進行修正，并可用于太赫茲光譜的在線校準。與傳統的太赫茲光譜分析儀的結構相比，該技術不需要另外的光學器件，也不會降低系統的性能。

圖12 分子激光器和毫米級的量子級聯激光器實物圖[23]

圖13 NPL研制的高阻硅片組和標準氣室及所使用的太赫茲系統原理圖[26]

圖14 太赫茲光譜測量的誤差來源及不確定度傳播過程[27]

圖15 太赫茲步進衰減器

圖16 用于在線太赫茲光譜校準的實驗原理圖[29]

太赫茲光譜測量設備的計量測試技術尚不成熟，其測量不確定度還比較大，嚴重制約了測量結果量值的準確性和統一性。所以，如何進一步提高太赫茲光譜參數的計量能力，將成為近期較為重要的研究方向。

三、建議與展望

科研人員將對電磁波的研究拓展至太赫茲頻段，從而產生了新的太赫茲研究領域。計量測試技術作為基礎性技術在太赫茲頻段發揮著重要作用，包括：（1）太赫茲頻段計量測試技術為太赫茲頻段的應用提供保障，同時也受太赫茲技術發展的牽引；（2）太赫茲頻段計量測試技術以微納加工、激光工藝、集成光電子學、新材料等支撐技術為基礎，同時也在促進支撐技術的發展；（3）太赫茲頻段的計量測試技術需要并推動著如微波技術、光學、電子學、計量學等相關專業的交叉融合。所以，太赫茲頻段的計量測試技術作為基礎和紐帶性技術，體現出明確且急切的發展需求。

針對我國太赫茲計量測試技術的現狀及未來發展需要，提出以下幾點建議。

（一）多專業多參數的交叉融合

隨著頻段的升高，相關器件不斷小型化、集成化，許多基本參數之間的界限變得不再確定。例如，基于網絡分析儀進行的測試往往能夠同時獲得阻抗、相位、衰減等參數的量值，而且各量值間可能還存在著相關性。又例如，快速發展的無線通信中，傳統的參數已經不能滿足通信系統性能的評價要求，眾多基于統計的、綜合性的參數正成為行業中更為關注的焦點。所以，要盡力實現傳統參數之間的交叉融合，為計量測試提供便利，并有機會催生出更合理、更具代表性的參數，促進相關應用領域的發展。

（二）大力開展和推動理論基礎研究

當前，我國在太赫茲領域開展的研究更加注重工程化和系統級，理論研究方面與國外尚存在一定差距。而從國外的情況可以發現，能夠長期引領行業發展的團體，無一不是注重理論基礎研究和技術預先研究的。所以，需要進一步開展和推動理論基礎研究。理論基礎研究將更加有力地促進計量測試技術的創新，提高核心競爭力。

（三）加速支持太赫茲頻段儀器和器件的國產化

高性能的儀器和器件是太赫茲技術研究所必需的硬件條件，但其中大部分產品還需要依賴國外的廠家，如高頻段的探針、性能優良的黑體、網絡分析儀擴頻模塊等。受這類儀器的限制，我國有許多計量研究工作無法開展，制約著計量測試能力的提高。所以，自主產品的研發至關重要。我國的儀器開發能力與發達國家存在巨大差距，需要長期的技術積累，從集成電路工藝流程、精密加工、特殊材料生長等各個方面不斷攻關，逐步實現高性能儀器產品國產化。