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1、(10)申请公布号 CN 103398776 A (43)申请公布日 2013.11.20 CN 103398776 A *CN103398776A* (21)申请号 201310365724.1 (22)申请日 2013.08.20 G01J 1/42(2006.01) (71)申请人 西北核技术研究所 地址 710024 陕西省西安市西安市 69 信箱 (72)发明人 王雪锋 王光强 王建国 朱湘琴 李爽 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人 王少文 (54) 发明名称 一种过模大功率脉冲太赫兹功率探测器 (57) 摘要 本发明过模大功率脉冲探测器以强电。
2、场在半 导体内部的热载流子效应为基本工作原理， 依据 半导体体电阻变化实现测量。探测器由口面较小 的WR2.8标准波导， 口面由小变大的WR2.8-WR8.0 过渡波导， 口面相对较大的 WR8.0 标准波导， 半导 体探测芯片以及后端的匹配负载组成。可承受脉 冲的峰值功率可达到 100W， 响应速度小于 1ns， 探 测芯片加工及探测器集成难度相对较小。该探测 器适用于0.30.4THz频率范围内的大功率脉冲 测量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (1。
3、0)申请公布号 CN 103398776 A CN 103398776 A *CN103398776A* 1/1 页 2 1. 一种过模大功率脉冲太赫兹功率探测器， 其特征在于 ： 包括接收波导、 过渡波导、 过模波导、 探测芯片和匹配负载 ； 所述接收波导为波导 WR2.8 ； 所述过模波导为 WR8.0 ； 所述过渡波导采用直线渐变的过渡形式， 其一端内横截面与接收波导相连接， 另一端 内横截面与过模波导相连接 ； 其长度为 200.5mm ； 所述探测芯片放置在过模波导中， 用于过模大功率脉冲的辐射功率测量， 其通过过模 波导壁的端口与外界相连 ； 所述匹配负载设置在过模波导的另一端， 。
4、用于吸收过模波导的入射电磁波， 其驻波电 压系数不大于 1.2， 最大吸收功率为 100W。 2. 根据权利要求 1 所述的过模大功率脉冲太赫兹功率探测器， 其特征在于 ： 所述探测 芯片由两个独立硅块组成， 两者间窄缝内填充介质为空气， 顶部以金属薄层短路， 其中一个 硅块的底部与波导壁短路， 另一个硅块的底部与波导壁绝缘且通过同轴线与外界相连。 3. 根据权利要求 2 所述的过模大功率脉冲太赫兹功率探测器， 其特征在于 ： 所述硅块材料选 N 型硅， 电阻率取 2 cm， 长度 l 取 0.65mm， 宽度 2d 取 0.6mm， 高度 h 取 0.2mm， 空气缝宽 取 0.04mm。 。
5、4. 根据权利要求 1 或 2 或 3 所述的过模大功率脉冲太赫兹功率探测器， 其特征在于 ： 所述匹配负载采用该频段对应的商用匹配负载 ； 所述匹配负载与过模波末端通过标准 法兰相连接。 权 利 要 求 书 CN 103398776 A 2 1/4 页 3 一种过模大功率脉冲太赫兹功率探测器 技术领域 0001 本发明属于功率测量装置设计方案， 具体涉及一种对频率在 0.3 0.4THz（太赫 兹， Terahertz,1THz=1012Hz） 范围内大功率脉冲进行功率测量的探测器。 背景技术 0002 辐射功率是太赫兹辐射源尤其大功率脉冲源的主要参数之一， 它直接决定了源的 应用范围并推动。
6、源的发展， 所以对大功率太赫兹脉冲源辐射功率进行测量一直是太赫兹技 术研究领域的重点和难点内容。作为太赫兹频段的重要组成部分， 0.3 0.4THz 频段因为 包含几个重要大气传输窗口 （如 0.34THz 和 0.38THz） 而成为当前国际太赫兹技术研究和应 用的热点之一， 开展该频段内大功率脉冲测量研究对太赫兹技术发展具有重要现实意义。 到目前为止， 现有太赫兹功率测量方法中大多数还只仅局限于低功率和连续波测量上， 而 针对大功率短脉冲的测量技术却很少， 而且这部分测量方法还存在一些技术限制和功能缺 陷， 直接制约了大功率太赫兹源技术的应用和发展。所以在 0.3 0.4THz 频段研制一。
7、种相 对灵敏度平坦， 电压驻波较小， 且可直接用于大功率脉冲测量的探测器是一项技术难度大 且需求迫切的课题。 0003 当前， 可能用到的大功率太赫兹脉冲测量器件主要分为有量热和检波两类。量热 类器件， 如辐射热计、 热释电探测器和热膨胀式探测器等都受测量原理所限制， 无法适用于 波形不规则且能量低的短脉冲。检波类器件中典型代表是肖特基二极管检波器， 利用晶体 二极管检波原理将太赫兹脉冲转换成功率包络波形进行测量。 由于检波器可承受电磁波功 率较小， 大功率脉冲测量时往往需要在前端引入较大衰减， 对实际测量结果引入的误差不 容忽视， 而且加大了测量系统复杂程度， 降低了测量系统的简便性和可靠性。
8、。 0004 实验表明 ： 外加电场强度在 103 105V/cm 时， 半导体硅内热载流子漂移速度与外 加电场强度关系偏离原有的线性关系， 电流密度和外加电场强度不再服从欧姆定律。上世 纪 60 年代， 美国和前苏联都将这种热载流子效应引起的半导体电阻变化效应用于高功率 电磁脉冲测量。近年来， 这类探测器在微波 （尤其是高功率微波） 功率测量中得到了很大发 展， 但受限于应用背景和加工技术难度， 该技术在毫米波段的应用才刚刚开始。截止目前， 这一类型探测器的最高工作频率只达到 0.17THz。 0005 为实现0.30.4THz频段内大功率脉冲测量， 本发明首先将截止频率更高的标准 矩形波导。
9、 （WR2.8） 作为接收系统， 利用其高通滤波功能对入射波频率范围实现了界定 ； 其 次， 利用口面由小到大渐变的过渡波导 （WR2.8 过渡到 WR8.0） 确保绝大部分的电磁波仍然 工作在 TE10模式 ； 最后， 在口面较大的过模波导 （WR8.0） 中利用探测芯片实现功率测量功 能， 后端连接匹配负载以实现多余电磁波的吸收。本发明综合考虑电压驻波系数较小和相 对灵敏度相对平坦的要求， 设计了一种基于 WR8.0 波导， 可用于此频段大功率脉冲测量的 过模探测器。该探测器相对灵敏度典型值为 0.24kW-1， 其幅度波动 22%， 电压驻波系数不 超过 2.74， 最大可测功率 100。
10、W， 响应速度小于 1ns。 说 明 书 CN 103398776 A 3 2/4 页 4 发明内容 0006 本发明提出了一种基于过模波导和热载流子效应相结合的脉冲功率探测器设计 方案， 可实现 0.3 0.4THz 频段内， 峰值功率在 0.5 100W 的纳秒级大功率脉冲实现功率 测量。 0007 本发明的技术解决方案为 ： 0008 一种过模大功率脉冲太赫兹功率探测器， 其特殊之处在于 ： 0009 包括接收波导 1、 过渡波导 2、 过模波导 3、 探测芯片 4 和匹配负载 5 ； 0010 所述接收波导为波导 WR2.8 ； 0011 所述过模波导为 WR8.0 ； 0012 所述。
11、过渡波导采用直线渐变的过渡形式， 其一端内横截面与接收波导相连接， 另 一端内横截面与过模波导相连接 ； 其长度为 200.5mm ； 0013 所述探测芯片放置在过模波导中， 用于过模大功率脉冲的辐射功率测量， 其通过 过模波导壁的端口与外界相连 ； 0014 所述匹配负载设置在过模波导的另一端， 用于吸收过模波导的入射电磁波， 其驻 波电压系数不大于 1.2， 最大吸收功率为 100W。 0015 上述探测芯片 4 由两个独立硅块 6 组成， 两者间窄缝内填充介质为空气 7， 顶部以 金属薄层 8 短路， 其中一个硅块的底部与波导壁短路， 另一个硅块的底部与波导壁绝缘且 通过同轴线 9 与。
12、外界相连。 0016 上述硅块材料选 N 型硅， 电阻率取 2 cm， 长度 l 取 0.65mm， 宽度 2d 取 0.6mm， 高 度 h 取 0.2mm， 空气缝宽 取 0.04mm。 0017 上述匹配负载采用该频段对应的商用匹配负载 ； 所述匹配负载与过模波末端通过 标准法兰相连接。 0018 本发明的优点 ： 0019 1、 可承受功率大。本探测器可以承受峰值功率 100W 的脉冲， 而无需借助任何前置 衰减， 这不仅降低了应用中测量系统的复杂程度， 而且能够提高测量精度。 0020 2、 响应速度快。 强电场作用下， N型硅块热载流子能量弛豫时间在皮秒(10-12s)量 级， 动。
13、量弛豫时间更短， 这使得本探测器响应时间很短， 响应速度在纳秒量级。 0021 3、 加工集成难度相对有所减小。在 0.3 0.4THz 范围内， 对应的电磁波波长范围 在0.751mm， 要在该频段实现电磁波矩形波导内单模传输， 需要选用尺寸更小的WR2.8波 导 （内横截面大小只有 0.7112mm0.3556mm） ， 所以要设计更小尺寸的探测芯片。这给探测 器加工带来很大挑战， 如探测芯片加工和探测器集成。本发明采 0022 用了内横截面较大的 WR8.0 波导， 使得探测器加工集成难度相对有所减小。 附图说明 0023 图 1 是过模探测器整体结构模型 ； 0024 图 2 是型探测。
14、器模型整体结构 ； 0025 图 3 是探测芯片横截面 ； 0026 图 4 是探测器相对灵敏度与频率的关系 ； 0027 图 5 是探测器电压驻波比与频率的关系 ； 说 明 书 CN 103398776 A 4 3/4 页 5 0028 其中， 附图标记为 ： 1- 接收波导、 2- 过渡波导、 3- 过模波导、 4- 探测芯片、 5- 匹配 负载、 6- 硅块、 7- 空气、 8- 金属薄层、 9- 同轴线。 具体实施方式 0029 1、 接收波导 ： 0030 示意见图 1， 选取标准矩形波导， 内横截面为 0.7112mm0.3556mm， 长度为 25.4mm。该波导理论截止频率为 。
15、0.211THz， 用于 0.26-0.4THz 频段的太赫兹波传输。 0031 2、 过模波导 ： 0032 示意见图 1， 选取标准矩形波导， 内横截面为 2.032mm1.016mm， 长度为 25.4mm。 过模波导的优势在于横截面较大， 这样的特点使得其不仅对探测芯片限制小， 而且探测器 集成难度较小。 0033 3、 过渡波导 ： 0034 示意见图 1， 采用直线渐变的过渡形式 ： 一端内横截面为 0.7112mm0.3556mm， 与 接收波导相连接 ； 另一端内横截面为 2.032mm1.016mm， 长度 20mm。过渡波导可确保绝大 部分电磁波传输中始终保持在 TE10模。
16、式。 0035 4、 探测芯片 ： 0036 示意图如图 2 和图 3， 设计参数包括 ： 材料选 N 型硅 ； 电阻率取 2cm ； 长度 l 取 0.65mm ； 宽度 2d 取 0.6mm ； 高度 h 取 0.2mm ； 空气缝宽 取 0.04mm ； 填充介质取空气。 0037 5、 匹配负载 ： 0038 匹配负载基本参数为 ： 接口内横截面 2.032mm1.016mm ； 驻波电压系数不大于 1.2 ； 最大吸收功率为 100W。匹配负载利用其内部填充的吸收材料吸收电磁波， 减小反射对 测量结果的影响。匹配负载与过模波导末端通过标准法兰相连接。 0039 下面结合附图对本发明作。
17、进一步描述。 0040 如图 1 所示， 探测器前端接收波导采用 WR2.8（截止频率为 0.211THz） 将起到高通 滤波作用， 同时可确保 0.3 0.4THz 频段内的入射电磁波工作在 TE10单模状态 ； 经过渡波 导之后， 绝大部分电磁波在波导 WR8.0 内部将工作在 TE10过模状态 ； 图 2 中， 放置在 WR8.0 波导内的探测芯片通过穿过波导壁的端口与外界相连接， 作为探测芯片偏置电流输入端口 和测量信号输出端口 ； 图3为探测芯片横截面。 探测芯片由两个独立硅块组成， 两者间窄缝 内介质为空气， 顶部以金属薄层短路， 底部一端与波导壁短路， 另一端与波导壁绝缘且通过 。
18、同轴线与外界相连。 0041 其基本工作过程为 ： 入射太赫兹波通过接收波导及过渡波导进入到过模波导后， 绝大部分仍工作在TE10模式， 电场对N型硅进行作用后产生热载流子效应， 即N型硅体电阻 增大。通过测量通过芯片 （N 型硅） 的电压变化， 即可解析得到入射场的电场幅度， 进而获取 入射功率。尾端的匹配负载可以消除散射， 防止其对测量的影响。 0042 这种设计不仅成功解决了由于波导横截面尺寸过小导致探测芯片太小， 在现有加 工条件下实现难度非常大的问题 ； 同时也放宽了探测器后期集成的限制， 使得探测器实现 成为可能。 0043 探测器相对灵敏度在数值上等于入射脉冲功率为单位值 (1W。
19、) 时引起的半导体体 电阻相对变化量， 单位为 W-1和 kW-1。图 4 是探测器相对灵敏度与频率的关系。可以看出， 说 明 书 CN 103398776 A 5 4/4 页 6 这种探测器设计得出的相对灵敏度曲线在0.30.4THz范围内比较平坦， 其幅度波动范围 在 22%， 典型值为 0.24kW-1。根据半导体 N 型硅击穿电压、 矩形波导 WR8.0 击穿场强和热 载流子效应机理， 可以估算出， 本探测器可以直接用于峰值功率 100W 的脉冲的测量。图 5 是电压驻波比与频率之间的关系。在该频段内， 电压驻波比最大值不超过 3。 0044 各种设计参数， 如探测芯片几何尺寸和材料参数， 包括长度、 宽度、 高度和 N 型硅 电阻率以及过渡波导长度等， 都对其探测性能有很大影响， 开发工艺研究时， 必须保证足够 精度。 说 明 书 CN 103398776 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103398776 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103398776 A 8 3/3 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 103398776 A 9 。