航天器天线设计技术与太赫兹技术特点

太赫兹探测以接收检测为主，分直接检测与外差式检测两种。直接检测具有宽带、高灵敏度、低的频谱分辨率等特点，主要有分光光度计（Spectrophotomete）、致冷测热成像仪（Cooled Bolometer，0.01～4 K）、光电导体（Photoconductor，100 GHz～30 THz）等。外差式检测具有窄带、中高灵敏度、高的频谱分辨率等特点，主要有肖特基二极管（Schottky Diode Mixers）、热电子测热成像仪（Hot Electron Bolometer，4 K）、低温超导隧道结（Superconducting Tunnel Junction，4 K）等。

由于波长短，太赫兹天线基本为面天线，有介质透镜天线与反射面天线两种。对于空间用系统来说，由于探测距离遥远，因此适用大口径的反射面天线。介质透镜天线主要用于次级波束的二次聚焦。按照反射面天线理论，在给定相位误差的条件下，太赫兹天线的形面精度是厘米波的0.01～0.1倍，基本上是微米级，因此常用的碳纤维复合材料及工艺不适用，只能用光学反射面材料（如SiC）与工艺，但天线的绝对口径又远大于光学镜头，因此给加工带来了极大的困难。同时对于主反射面、副反射面、馈源等部件的几何安装精度要求也大幅度提高，因此，系统调试也要求高。以典型的Herschel上的探测器天线为例，如图12-34所示，直径3.5 m的抛物反射面镜头，其形面精度为6 μm，材料为SiC。为了降低噪声，整个天线在轨处于80 K的低温环境。要达到这样的精度，对工艺是一个巨大的挑战。同样与Herschel一同发射的Planck探测器，最高频率近1 THz，采用热辐射计的测试方案，其温度达到0.1 K，已接近绝对OK温度，下一代的Planck探测器，温度将达到mK量级，这一点不论对天线还是辐射计以及空间热控技术都是严重的挑战。You Rui（尤睿）针对小区域（横向10 km以内）降雨的临近（1～2 h）预报难点，提出了在183～425 GHz的太赫兹波，用直径3 m以上大口径反射面及256个馈源阵列、片上辐射计（ROS），在GEO轨道上实现对小区域测量大气温度与湿度垂直分布，从而实现降雨的小区域临近预报的方案，但实现起来难度巨大。

图12-34　Planck（左）与Herschel（右）空间望远镜

太赫兹天线与其探测器技术紧密联系在一起，目前太赫兹信号源仍然是一个难题，而且最主要的是效率问题，目前效率不到5%。效率如能提高到20%，将大大扩大太赫兹的应用范围，如无损检测、人员的安全检查等。对于天线，加工工艺仍然是难题。如面向小区域（10 km）降雨的临近预报（1～2 h），则需要在GEO轨道上放置一个直径为3 m以上的天线，对183～600 GHz中的水汽与温度吸收线进行探测，通过对测量数据进行天气的数值计算可以实现小区域的降雨临近预报，但其天线的工艺复杂度与成本限制了其发展。(www.xing528.com)

因此，太赫兹技术发展可能有如下趋势：

1）提高太赫兹信号发生器的效率。

2）常温接收机前端的小型化。

3）大口径天线（2 m以上）的材料与工艺。