《电子技术应用》

姜万顺:国产自主可控测试仪器填补国内太赫兹技术空白

作者:杨 晖
2015/7/30 11:06:00

    在微波红外领域,国内外差距较大;但在太赫兹领域,我们与国外水平不相上下,我们通过努力已一步一步实现了基础器件和工艺的国产化,研发出国产自主可控的500GHz测试仪器。太赫兹的技术虽然很难,但是我们要坚持做下去,一点一点实现突破。中国梦要靠中国人实现,太赫兹技术的发展也一样!

——姜万顺

    7月17日,“2015中国(成都)微波射频与测试测量技术研讨会”隆重举行,在众多的演讲中,中国电子科技集团公司第四十一研究所(简称,41所)副总工程师姜万顺的演讲“太赫兹测试仪器技术最新进展”引起了与会者的极大兴趣,会后记者专门对姜总进行了专访。

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41所副总工程师姜万顺在演讲中

问:何为太赫兹技术?太赫兹技术发展现状?

    姜万顺:太赫兹(Terahertz,1THz=1012Hz)泛指频率在0.1Hz~10THz波段内的电磁波,又称远红外,亚毫米波。频率上看,太赫兹波在无线电波和光波、毫米波和红外线之间;能量上看, 太赫兹波在电子和光子之间。

    太赫兹技术是21世纪重大的新兴科学技术之一,2004年入选美国“改变未来世界的十大技术”,2005年被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到太赫兹的研发热潮之中。

    我国对太赫兹技术的研究,可以追溯到上世纪90年代,在电子科技大学刘盛纲院士等专家学者的不懈努力和推动下,我国开始重视太赫兹研究;我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹事业的发展方向,并制定了我国太赫兹技术的发展规划。在国家“十二五”科学和技术发展规划、国家重大科技基础设施建设中长期规划中都有明确部署。

问:太赫兹技术有什么优势?

    姜万顺:太赫兹的频率很高,具有很高的空间分辨率;又由于太赫兹的脉冲很短(皮秒量级),具有很高的时间分辨率;所以太赫兹不仅信噪比高,能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别。而且太赫兹是一种非接触测量技术,使它能够对半导体、电介质薄膜等材料的物理信息进行快速准确的测量。鉴于太赫兹的特点,必将给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来深远的影响,进而改变人们的生产生活。

问:既然太赫兹有如此多优点,太赫兹两侧的红外和微波技术已经非常成熟,为什么太赫兹应用基本上还是一个空白?其滞后的主要原因是什么?

    姜万顺:在太赫兹频段上,向下,对光来说,波长太长,不完全适合用光学理论来处理;向上走,对微波来说,波长又太短,在器件和工艺方面存在较大技术难度 。上世纪九十年代以前,太赫兹一度被人“遗忘”,也因此被称为“太赫兹空白”。

    太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源,有很多技术难点尚未攻破。

问:简单介绍41所。41所什么时候开始太赫兹方面的研究?

    姜万顺:41所是我国专业的电子测量仪器研究所,从“九五”规划开始做毫米波研究,目前主要从事微波/毫米波、光电、通信、通用/基础等门类电子测量仪器及自动测试系统的开发、研制和批量生产及计量标准研制,并为军、民用电子元器件、整机和系统的研制、生产提供检测、计量手段。

    41所近几年发展迅速,经国家授权批准,承担了“电子测试技术重点实验室”、“国防科技工业光电子一级计量站”、“国防科技工业自动化测试技术研究应用中心”、“国家电子仪器质量监督检验中心”、“国家计量器具新产品定型鉴定技术机构”、“国家进出口电子仪器商品检验实验室”等国家级专业机构,在我国电子测量仪器行业中具有十分重要的地位。

目前做太赫兹技术应用的公司很多,但是国内做太赫兹测试测量仪器的公司只有41所唯一一家。

    测试与测量技术是科学研究的基础,太赫兹测试与测量仪器设备因技术难度大,发展相对缓慢,也造成了太赫兹技术研究相对滞后。

问:41所在太赫兹研究过程中遇到了哪些挑战?目前进展如何?

    姜万顺:在太赫兹测试技术中首先要解决的是太赫兹电磁信号的发生技术、太赫兹电磁信号的频率和功率检测技术,并以此为基础的大动态网络参数测试技术,这也是太赫兹技术研究领域的最前沿问题。

    41所的太赫兹信号发生技术基于倍频链方案。微波倍频的优点是:体积小,灵活,成本相对低;缺点:杂波信号比较大,输出功率小。

    为提高太赫兹倍频器输出功率,41所从三个方面入手:提高倍频器驱动功率、提高倍频器压缩点、减少倍频器的变频损耗。

    41所采用波导多层放大器、空间合成技术提高宽带倍频输出功率。此空间倍频器技术与国际上通用的串联做法不一样,采用并联结构,已在国内申请专利。目前,41所太赫兹倍频源模块性能达到国际先进水平。

    为减小混频器的变频损耗、提高太赫兹频谱分析仪灵敏度,41所与13所分工合作,由13所负责研发二极管,41所负责电路设计及加工。在电路设计过程中,41所将本振、倍频集成在一起,将二极管的物理参数、封装参数等带来的寄生影响考虑到电路的设计中,采用SGS软件仿真,仿真结果与真实结果差距较小,并大幅降低损耗。

    今年41所已研发出国产自主可控的500GHz信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、功率计和天线与RCS测试系统等产品,采用高性能的非线性器件精准建模、宽带高效非线性电路一体化设计和高精度传输线成型等核心技术,具有输出功率高、动态范围大、灵敏度好、使用方便和兼容性强等优点,性能达到国际先进水平,填补国内在太赫兹测试测量仪器的空白。可应用于THz雷达、通信、气象遥感等装备的研发、生产和维修测试各个环节,解决了该频段的测试难题。

 

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41所研制出的太赫兹测试仪器

 

    姜总1994年从电子科技大学高能物理研究所毕业来到41所,迄今21年。

    姜总把在41所的经历分为两个阶段:前10年,解决产品的有无问题,从无到有实现了新技术,并做出了产品;后10年,把技术转换成产品,解决产品的可靠性、稳定性问题。

    姜总回顾在20年的科研工作中,遇到了许多难题,首当其冲的是技术的壁垒。

    随着频率越来越高,波长越来越短,对二极管和电路设计加工的工艺要求越来越高,国内的工艺水平和国外有一定的差距。41所以前采用的二极管是从美国VDI公司进口,41所在太赫兹测试设备的研发中,发现由于得不到VDI公司二极管的详细参数,由此设计的混频电路,仿真结果与真实结果差距较大;幸好有13所鼎力相助,两个单位联合开发,各司其职,13所负责二极管的研发,并提供二极管的物理参数、封装参数等,41所将其带来的寄生影响考虑到电路的设计中,仿真结果与真实结果差距较小;目前的产品性能不亚于国外同类产品。

    其次是市场的挤压。特别在高端仪器,国外一直对我们采取禁运策略;但当我们能做到8mm,国外放开8mm产品;我们能做到67GHz,国外放开67GHz产品;我们能做到3mm,国外放开3mm产品,试图以更低的价格挤压我们国内厂商,以此限制国内技术的发展。

    谈到姜总带领的太赫兹研发团队,从设计到加工有30人,姜总自豪地说“我们的工程师全部来自国内,虽然没有国际一流的科学家,但我们研发生产的产品性能与国际水平相当,我们的产品质量已经得到很多客户的认可,而且维修成本大大降低,我们国内客户不再受制于国外厂商。”

    目前,我国太赫兹测试仪器0.325THz以下比较成熟,已经批量成套供应;今年,500GHz测试仪器取得较大突破,技术指标完全达到国际上最高水平,可满足500GHz 以下太赫兹科学研究和工程应用的需求。“明年,我们将研发出750GHz的测试仪器。” 姜总信心满满地补充到。

   姜总表示:面对日新月异的技术革新和日益激烈的市场竞争,41所将始终围绕客户测试需求及需求的变化发展,依托现有技术不断创新从而实现产品创新和差异化,以提升产品的多元化需求范围,解决用户所面临诸如工业4.0、5G通信、云计算、大数据等越来越棘手的测试难题;另外利用本土化优势进行低成本改进,利用专项产品+通用产品的组合提升测试产品的整体性价比,利用信息化提升服务响应速度和质量等举措解决客户的后顾之忧;完善市场营销网络,加大海外市场的开拓力度,利用国内外代理并行的多渠道方式开发市场,加速开发海外市场。

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