[发明专利]太赫兹波气象探测器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及太赫兹波，更特别地，涉及一种基于太赫兹波的气象探测器。

背景技术

太赫兹，即太拉赫兹，一般指的是100GHz到10THz范围的频率，相应的波长为3毫米到30微米，在电磁波谱上介于毫米波与红外光之间，代表了从量子机制传输理论到经典机制传输理论的重要转变。太赫兹波的这一特殊位置决定了其丰富的科学内涵，兼具微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，使得其在许多领域都有重大的应用前景。

太赫兹波的重要特性包括穿透性、安全性、宽带性和相干性等，并且许多小分子的转动跃迁和大分子的集体振动跃迁都会在这个波段范围内产生明显的特征吸收峰。在大气层中存在大量的氧气分子、一氧化碳分子、水汽、尘埃微粒等，这些物质都具有丰富的太赫兹波段指纹信息。同时，太赫兹波还具有方向性好，穿透性强等特点，能够穿透云层，因此太赫兹波是理想的气象探测信号源。例如，中国发明专利申请201510040930.4就公开了一种用于测云的地面太赫兹雷达系统。

太赫兹波的产生方法一般可分为基于光学的太赫兹信号发生方法和基于电子学的太赫兹信号发生方法。基于光学的太赫兹信号发生方法包括使用自由电子激光器、电光晶体太赫兹脉冲源、瞬时光电导产生太赫兹电磁脉冲等。尤其是随着激光相关领域的进展，近年来已经出现了若干基于光学方法的太赫兹信号发生器件。

基于电子学的太赫兹信号发生方法目前主要是使用回波振荡器(BWO)(也称为行波管)，其能产生100GHz至1THz的辐射频率，输出功率大于10mW，调谐范围可达到中心频率的30％左右。然而，回波振荡器的操作需要高电压和高磁场，因而能耗非常大，并且回波振荡器的体积较大。因此，这些缺点限制了回波振荡器的实际使用。例如，回波振荡器的这些缺点限制 了其在卫星上探测器方面的应用，因为卫星上优选重量轻、体积小、并且能耗低的探测器。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于自旋电子学器件的太赫兹波气象探测器，其具有重量轻、体积小、能耗低等优点，因此尤其适合在卫星上使用。

根据本发明一示范性实施例，一种太赫兹波气象探测器可包括：太赫兹信号源，包括：自旋微波振荡器，包括自旋注入层和设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述自旋注入层在接收到非自旋极化的电流输入时产生自旋极化的电流输出，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡电信号；以及倍频链，包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡电信号进行倍频，从而输出太赫兹电信号；收发天线模块，包括：辐射天线，接收来自所述太赫兹信号源的太赫兹电信号，并且向外辐射太赫兹波；以及接收天线，接收所述太赫兹波的反射回波，并且将其转换成电信号；以及信号分析模块，用于分析所述接收天线提供的电信号，从而获得气象信息。

在一示例中，所述自旋微波振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。

在一示例中，当所述间隔层由磁性导电材料形成时，所述间隔层的厚度小于其自旋扩散长度。

在一示例中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成。所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi₂Se₃、Bi₂Te₃。所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括设置在所述自旋微波振荡器与所述倍频链之间的高通滤波器。

在一示例中，所述多个倍频器包括：连接到所述自旋微波振荡器的至少一个高次倍频器，所述高次倍频器的倍频系数大于3；以及连接到所述至少 一个高次倍频器的多个低次倍频器，所述低次倍频器的倍频系数为2或3。

在一示例中，所述多个低次倍频器的个数小于等于4。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括插入在所述倍频链的多个倍频器中的至少一个锁相环。

在一示例中，所述至少一个锁相环插入在所述至少一个高次倍频器与所述多个低次倍频器之间。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括至少一个功率放大器，其设置在所述锁相环与所述多个低次倍频器之间。