周期性极化线栅的FDTD分析.pdf

第七届全国毫米波亚毫米波学术会议论文集 周期性极化线栅的FDTD分析 倪蓓窦文斌 东南大学毫米波国家重点实验室， 南京210096 摘要：周期性极化线栅是准光系统中的重要元件，其作极化分离作用可用作极化隔离器，还 可用在准光环行器、准光变极化器、逆卡氏天线等组件中。本文采用FDTD法分析仿真了在 介质基片上制作的周期性极化线栅在毫米波和亚毫米波段的特性，给出了计算结果。 关键词：毫米波亚毫米波，周期性极化线栅，FDTD法 1引言 周期性极化线栅是毫米波亚毫米波准光系统中的重要元件，它的基本特性是对于极化方 向与线栅栅条平行的电磁波实现反射，对极化方向与线栅栅条垂直的电磁波实现透射。这个 极化分离作用可用作极化隔离器，还可用在准光环行器、准光变极化器、逆卡氏天线等组件 中。常规的极化线栅用金属导体丝通过专用设备制成，为平面形式。在实用中除平面形式外， 有时还需用到非平面形式，这时仅用导体丝就无法制成非平面线栅。因此，需要介质材料作 为机械支撑。本文采用FDTD法对此线栅进行分析。 2分析 考虑抛物面线栅，栅条由一系列水平的平行金属栅条构成，并与抛物面介质层的内表面 紧贴而合为一体。水平金属栅条的作用是让水平极化波反射，而让垂直极化波通过。入射波 为垂直极化波时需要考虑抛物面介质层厚度的影响，对于水平极化波介质层厚度影响可以忽 略。对垂直极化波主要考虑介质层厚度带来的损耗，即有少部分的能量被反射回来或是在介 质层中损耗掉。采用周期性结构的FDTD法分析，因为抛物面曲率半径比波长大得多，因此用 平面栅条来近似处理抛物面的曲面栅条。图1a所示为周期结构的抛物面栅条，前面为金属 条带(深灰色)，后面为介质层(浅灰色)，它的一个周期单元见图1b。 入射波为水平极化波(瓦=1)时，理想情况下全反射，则有透射波耳=o，反射波玩。1。 反射系数定义为 墨l=20·log珀(‰，民) (1) 入射波为垂直极化波(瓦=1)时，理想情况下全透射，则有透射波乓=l，反射波玩20。 透射系数定义为 岛l=20·loglo(乓／互瞻) (2) (1)毫米波频段分析结果 将计算图lb所示周期排列的矩形条带结构，金属铜片(厚度为0．05E)宽为d，一个周 期的外尺寸均为a，介质层宽为a，厚度为D，相对介电常数E=2．2，频率为94GHz(3rm波长)。 取a=0．3唧、d=0．1衄、D=1．05衄。入射波为水平极化波时，入射波、反射波、透射波如 图2a所示，中间虚线为金属栅条，虚线和实线之间为介质层。由图可见绝大部分入射水平极 化波能量被反射，也有小部分能量透过抛物面出射，垂直极化波能量始终为零。入射水平极 13 镕一∞m《自《t与数值☆法 化波时场形阿如图2b所示。反射系数S。随入射角的变化曲线如罔2c所示 鼍墓罗 醌管 目1b目目#目∞十4i目1cWM％№∞*#F# ．扒m／， ＼3|WU 目2a^射水，F极化被(点划线)，透射水平极化被(虚线后的实线 反射水平极化渡(线前的实线)．|直撒化被(点＆线) llllll 一 ^#^洳gl 目2b^射水甲极化波时全反射的场形幽 图2c厦射系数硅^射舟的变化∞线 入射波为乖直极化波时，^射波、反射波、透射波如图3a所示，中间虚线为金属栅条， 虚线和实线之间为介质层。由幽可见绝大部分入射乖直极化波能母透过抛物面出射，也有小 部分能量被反射回来，