● 摘要
在空间探测领域，为了提高分辨率或是获得更多信息，探测频率迅速上升。毫米波亚毫米波技术由此得到了快速发展，对该波段的器件和系统需求也变得迫切。反射系数测试前端（反射计）的研究和应用正是在这一背景下提出。高频段的电路网络是制约测量能力的首要因素，而准光学技术让电磁能量在自由空间中传播，从而达到电路损耗低、加工容易的目的。于是，反射计采用准光学的系统结构，以实现对毫米波亚毫米波波段反射系数的测量。本文以覆盖毫米波波段75-325 GHz的准光学反射计系统为例，分析了反射计的系统性能和具体设计。其间的关键问题包括在准光系统中如何保证宽带和低耗，以及在毫米波波段的校准中如何降低标准件不理想、信噪比降低等因素的影响。本文首先分析反射计系统的指标，将应用问题转化为理论问题，指出反射计的工作带宽、动态范围与通道损耗、器件性能有关，反射计的测量精度与校准方法、校准件有关。于是为了实现预期指标，需要在工作带宽内充分降低通道损耗，保持准光器件的性能，并在校准中考虑到毫米波的特点。然后分析准光通道的带宽和损耗。先由理论分析说明了通过更换特定参数的馈源实现多个频段共用准光通道的可行性，然后由数值仿真验证了准光通道在全频段的宽带特性。还讨论了装配误差的影响，发现某些器件位置偏移的正向误差冗余较大。对相关准光器件的工作原理、性能分析进行详细讨论，并介绍了制作工艺、部分测试结果。接着，针对毫米波波段的校准中标准件不理想、偏置精度要求高的问题，采用滑动终端按照刻度连续采集数据；针对检测信号的信噪比降低的问题，数据处理时只采用了拟和圆周的圆心。其间还建立了直接与反射计硬件相关的误差模型，得到多项式形式的误差方程。采用多项式方法以及另外两种传统的校准方法进行对比测量，该方法准确而且曲线的波动较小。最后还将反射计与商用VNA对Ka波段负载的测量结果进行比较。最后对准光学反射计系统进行整机测试。在没有对准光电路网络作加工精度的机械评估情况下，整机在WR-10波段的实验中取得了满意的结果。电路网络的端口测试表明，当前主通道在W波段的损耗不超过4.5 dB，而且损耗主要来自加工不理想的馈源喇叭。对不同负载的测试表明，反射计系统在W波段上的测量结果合理，动态范围大于30 dB。