亚毫米波频率选择表面圆极化器分析

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万方数据 ABSTRACTABSTRACTMillimeterwaveandsub-millimeterwavehasimportantapplicationsprospectinthefieldofmodernwirelesscommunicationsandradaracquisition,anditmakesever-increasingdemandsontransmissioncontroloftheelectromagneticwaveinthisband.Line-circularpolarizationconverterasanimportanttransmissioncontrolfunctiondevices,hasanimportantroleinthedevelopmentofapplicationsystems.Therefore,thispaperdesignsacircularpolarizationwhichworkscenterfrequencyisin351GHz.Themainworkinthisthesisisasfollows:Firstly,theFSScircularpolarizationwhichbasedsplitslotringhasbeenstudied,Throughsimulation,theimpactsonpolarizationefficiencythattherelevantparametersofthecircularpolarizationhashasbeenstudied.Theresultsshowthat:thedifferenceoftheslitlengthbetweentheinnerandouterringisthekeyparameterstodeterminethephasedifferencebetweenthetwooutgoingTEandTMpolarizedcomponents;Theslitwidthoftheringprimarilyaffectsonthebandwidthofthecircularpolarization,andthebandwidthwillbewideriftheslitiswider;thecellspacingisthekeyparameterstodeterminethebandwidthofthecircularpolarization,thecouplingbetweenunitswillstrongerifcellspacingissmaller,andthebandwidthwillbewider.Thecircularpolarizationthispaperresearchedwhichworkingincenterfrequency351GHzcanmakethephasedifferenceto83.25degree,andlessthan3dBaxialratiobandwidthis12.9%.ThenproposedaFSScircularpolarizationbasedsplitslotsquarering.Thesimulationshowedthattheaffectofthegratinglobehasbeenreducedinsquareunit,anditalsoimprovethephasedifferencewhichhasbeenincreasedto89.67degreefrom83.25degree.TheperformanceofthedoublelayerFSScircularpolarizationhasbeenstudiedbysimulation.Analysedtheaffecttopolarizationefficiencywhichfromtheparametersincludethespacebetweendoublelayer,thedielectric-loadedandtheangleofincidence.OptimizationedofthestructureofadoublesquareFSScircularlypolarized,andtheaxialratiooflessthan3dBbandwidthis22.85%.II万方数据 ABSTRACTKeywords:circularpolarization,FSS,Millimeterandsub-millimeterwave,split-ringresonatorIII万方数据 目录目录第一章绪论....................................................................................................................11.1波导型圆极化器技术的发展动态....................................................................11.2准光型圆极化器技术的发展动态.....................................................................21.3本论文的主要工作............................................................................................51.4本论文的结构安排............................................................................................5第二章圆极化器基本原理与FSS基本原理研究........................................................72.1圆极化波理论.....................................................................................................72.1.1圆极化波的产生.......................................................................................72.1.2圆极化波的特性.......................................................................................82.1.3圆极化波的主要参数...............................................................................82.1.3.1旋向................................................................................................82.1.3.2倾角..............................................................................................102.1.3.3轴比..............................................................................................102.1.3.4极化损失系数..............................................................................122.1.3.5其他参数......................................................................................132.2频率选择表面的基本参数..............................................................................132.2.1单元形状.................................................................................................132.2.2单元尺寸.................................................................................................142.2.3缝隙宽度.................................................................................................152.2.4单元间距.................................................................................................152.2.5栅格排列方式.........................................................................................162.2.6栅瓣的影响.............................................................................................162.2.7介质加载.................................................................................................172.3本章小结..........................................................................................................18第三章单层频率选择表面圆极化器研究..................................................................193.1极化转换原理..................................................................................................19IV万方数据 目录3.2开口谐振环的极化选择特性...........................................................................203.3FSS圆极化器的单元结构...............................................................................233.4FSS单元结构对极化转换效率的影响...........................................................253.4.1缝隙长度................................................................................................253.4.2缝隙宽度................................................................................................283.4.3单元间距................................................................................................303.4.4入射角度................................................................................................313.5圆环FSS圆极化器的极化效率.....................................................................323.6方环FSS圆极化器的极化效率.....................................................................333.7本章小结..........................................................................................................38第四章双层频率选择表面圆极化器研究..................................................................394.1双层FSS的主要参数.....................................................................................394.2层间距对极化器效率的影响..........................................................................394.3介质加载对极化器效率的影响......................................................................434.4入射角度对极化器效率的影响.......................................................................454.5本章小结..........................................................................................................46第五章结论................................................................................................................47致谢..............................................................................................................................48参考文献........................................................................................................................49V万方数据 第一章绪论第一章绪论[1]空间传播的电磁波按照极化方式分为线极化波、椭圆极化波和圆极化波。而在现代无线传输系统中，圆极化波有着各种其他极化形式的波不具有的优势。如：圆极化波对雨、云有更好的抗干扰性能，在通信中普遍使用的Ka频段甚至更高的频段，雨、云的干扰非常强烈，圆极化波在此频段的优势比较明显。在现代的电子战中，对方雷达发出的各种线极化或椭圆极化的电磁波都可以通过圆极化天线探测到或者干扰到。我们也可以将圆极化天线安置在有强烈震动的飞行器上，即使飞行器的飞行状态非常不稳定，我们也可以接收到圆极化的波。因为具有这些优点，圆极化的波在天文观测、卫星遥感、航天通信等现代无线电波传输中具有[1-4]广泛的应用。但是，目前大部分的微波发生器产生的波都是线极化的，要得到圆极化波，必须利用圆极化器将线极化波转换为圆极化波。因此，圈极化器的研究就变得非常重要，在国际上受到广泛的重视。1.1波导型圆极化器技术的发展动态随着对圆极化器技术的研究的发展，目前国内外的主要研究方向为两种不同的圆极化器：波导型圆极化器和光栅栅条型圆极化器。其中研究和应用较多的是波导型圆极化器。[5]1961年，Boster教授设计了一种波导圆极化器，他与通常我们使用的矩形波导和圆形波导不同，是十字型的，这给后来的各种波导型圆极化器的研制提供了具有启发意义的思路，这也成为了研究波导型圆极化器的第一篇文献。到了上世纪90年代，随着通信频率的提高，微波器件的频率也进一步提高，这对圆极化器的功率承受能力有了新的要求，这时有人提出了加装有矩形喇叭口[6]的波导圆极化器，这种圆极化器能够工作的峰值功率和平均功率较其他的有很大提高。[7]2002年，国内学者张丽平设计了一种高功率波导圆极化器，这种圆极化器的波导是渐变的。其极化原理是用分离器将入射的线极化波分解成两个相互垂直的等幅分量，然后使用移相器使两个分量的相位差达到90度，然后再在合成器件中将两个分量合成，得到圆极化波。这种圆极化器加工比较简单，插入损耗比较1万方数据 第一章绪论小，能够工作在较高的功率上。2002年，昆士兰大学的MarekE.Bialkowski等人提出了一种微带式圆极化器[8]的理论，它利用双缝耦合的反射阵实现两个分量的相互垂直,但其没有得到实际的实验结果。[9]2007年上海大学的施阳设计了一种波导多螺钉圆极化器，实现了10％带宽内圆极化轴比<0．45，输入输出驻波比<1．5。2010年中国空空导弹研究院的梁晓靖对常用的波纹方波导圆极化器进行了优[10]化改进，设计了一种工作在8GHz-18GHz频率下，轴比小于1．7dB，带宽达到倍频程的波纹方波导圆极化器。2011年，西北核技术研究所的张治强等人设计了一种带有椭圆波导结构的圆[11]波导极化器。见图1-1，这种圆极化器的基本原理是，输入的线极化波的电场被导入到一个由圆波导到椭圆波导的过渡段，此过渡段能够将线极化的电场分量分解成相互垂直且振幅相等的分量，而两者的相位差是通过控制椭圆波导的长度来实现的。[11]图1-1一种圆波导极化器1.2准光型圆极化器技术的发展动态与此同时，光栅栅条式圆极化器的研究也在一步步的展开。[12]1964年J.R.Pyle首次在文献中提出用金属细丝组成的栅条做圆极化器，随后就有了各种金属线式的光栅圆极化器问世。但是它们或者轴比不稳定，或者频带较窄，而且损耗也比较大。1981年，我国学者刘惠中解决了之前各种光栅圆极化器的轴比不稳定的难题[13][14]，几乎同时，我国学者徐善驾，张耀江设计了一种新型的栅条式圆极化器，2万方数据 第一章绪论这种圆极化器具有稳定的相位差，损耗也比较小。2002年，悉尼大学的Brand,GF教授使用模匹配法对光栅进行数值分析，提[15]出了一种光栅圆极化器的设计思路，这种光栅的厚度比较薄，金属光栅的传导率较高。但是这种方法无法对有厚度的光栅进行分析。[16]2010年电子科技大学的杨胜超设计了一种双Ｕ型金属光栅圆极化器，其轴比带宽相比于普通的光栅型圆极化器的带宽宽了2倍，功率容量也达到了普通光栅的15倍。如图1-2所示的是一种普通的直角型光栅圆极化器。[16]图1-2一种光栅式圆极化器的结构图1984年，Level和Mahdjoubi等人首次提出可以使用频率选择表面来设计圆极[17,18]化器，这种频率选择表面是由在介质板上印刷多层金属折线栅的方式制成。入射波的电矢量以相对两种相互垂直的金属栅45度角入射，则分解的两个分量在两个不同的路径中相位被延迟和提前。得到一个出射的圆极化波。1995年，国内学者杨莘元、张学莲等人设计了一种超宽带宽的多层曲折线式[19]金属贴片栅圆极化器。如图1-3所示，但是其性能并不稳定。[19]图1-3一种折线栅圆极化器的结构图2006年R.Dickie,R.Cahill,H.S.Gamble等人设计了一种新的频率选择表面[20]，单位元外面是个正多边形的开槽环，环内蚀空，新的表面结构大大提高了极3万方数据 第一章绪论化器的工作频率，达到百GHz。2010年，M.Euler等人在R.Dickie设计的基础上，设计出一种新型的频率选[21]择表面圆极化器，这种新型的频率选择表面由两个嵌套的开缝圆环组成，整个频率选择表面采用微加工技术，使得每个单元的尺寸缩小到微米量级，这大大提高了圆极化器的工作频率，可以稳定工作在320GHz—365GHz下。同时这也对FSS的加工制造提出更高的要求。波导圆极化器则有体积大，加工难度大的缺点。随着民用、军用中对微波频率的高频需求越来越强，能稳定工作在较高频率下的圆极化器成为新的研究热点。近年来随着对频率选择表面（FSS）的大量研究，发现在毫米、亚毫米波段，[22,23,24]频率选择表面可以用作圆极化器、微波分束仪、和激光器的“腔体镜”等。在用作波的圆极化器时，与栅带方向正交的场可以透过去，这样就可以将不同极化的波分开来。从而实现波的极化转换。频率选择表面式的圆极化器具有体积小，易于加工，工作频率高等优点。频率选择表面是一种二维周期阵列结构,是由金属屏上周期性的开孔单元或者是在介质屏上贴上周期性的金属贴片构成，每个基本单元就是波在传输过程中的一个无源谐振单元，所有这些基本单元在二维上按照周期性地排列就构成了能够对电磁波进行滤波作用的频率选择表面，具有特定的频率选择作用。而将FSS用作圆极化器时，大多是采用折线栅式的结构，这种结构分析容易、设计简单、制造方便、应用面广，但是中心工作频率不高。而随着现代卫星探测、通信技术的进步，对电磁波的频率的要求越来越高。微波通信慢慢进入毫米波亚毫米波甚至太赫兹时代，例如：1998年12月5日美国国家航空航天局发射了一颗亚毫米波天文卫星，这颗卫星的发射是美国小探测工程的一部分，该卫星用来检测太空中水分子、氧气分子、碳原子发出的波长为487–556GHz的微波。因此能在毫米波亚毫米波段使用的圆极化器成为新的研究焦点，而在此频段上频率选择表面的小型化、高频率、低损耗的优势非常明显。所以，对频率选择表面设计的圆极化器进行研究具有重要的价值和意义。4万方数据 第一章绪论1.3本论文的主要工作本论文在圆极化器技术的基本原理和频率选择表面的基本原理的基础上，通过CST仿真软件对一种单层的，以开口缝隙谐振环型为基本单元的频率选择表面圆极化器的圆极化原理进行了分析，并对频率选择表面的基本参数对此圆极化的极化效率的影响作用进行了分析，在以上两者的基础上，提出了优化思路，对其基本结构进行了优化。提出了新的基本单元结构，通过仿真计算，结果表明新的结构在出射相位差、传输带宽、轴比带宽等指标上相比原结构有了一定的进步。然后又在单层FSS圆极化器的分析的基础上，分析了双层FSS圆极化器的主要影响参数，如层间距，介质加载等。提出了一种暂不成熟的双层FSS圆极化器的结构。1.4本论文的结构安排本论文主要研究一种工作在亚毫米波段的频率选择表面式线-圆极化转换器的基本原理。结构安排如下：第一章，主要表明了工作在亚毫米波段的圆极化器的研究意义，以及国内外对圆极化器的研究和发展动态。第二章，我们主要研究了圆极化波的基础理论知识，如圆极化波的产生方法，圆极化波的特性，圆极化波的主要参数等。分析了线-圆极化转换器的转换原理。研究了频率选择表面的理论分析方法：谱域展开法和Floquet定理，分析了影响频率选择表面的传输特性的主要参数：单元形状、单元排列方式、单元结构的几何尺寸，单元间距，介质加载等。第三章，在第一章的基础上，通过仿真方法分析了单层开口环形缝隙频率选择表面圆极化器的线-圆极化转换原理，分析了开口环形结构的极化选择通过特性的原理，分析了TE极化分量与TM极化分量间的相位差的产生原理。通过仿真计算，确定了FSS的各个结构参数对圆极化转换效率的影响。通过分析提出了优化方法，提出新的单元结构。通过仿真计算，得到了相比于原结构更好的传输带宽和轴比带宽。第四章，在对单层开口环形缝隙频率选择表面圆极化器的分析基础上，通过仿真计算分析了双层FSS圆极化器的特点。通过对双层FSS的结构参数的如：层5万方数据 第一章绪论间距离、加载介质的介电常数、入射角度等对极化转换效率的影响。提出优化思路，建立新的结构。6万方数据 第二章圆极化器基本原理与FSS基本原理研究第二章圆极化器基本原理与FSS基本原理研究2.1圆极化波理论现代卫星勘测技术的进步，以及天文雷达应用的更加广泛，和对不同天气条件下勘测，通信等的要求越来越高，对空间传输的波的极化形式的要求也越来越高。以前单一的线极化的空间传输波已经不能满足新的需要。而圆极化波对雨、[1-3]云有更好的抗干扰性能，在通信中普遍使用的Ka频段甚至更高的频段，雨、[1,2]云的干扰更加强烈，圆极化波在此频段的传输优势比较明显。在现代电子战中，对方雷达发出的各种线极化或椭圆极化的电磁波都可以通过圆极化天线探测到或[4]者干扰到。我们也可以将圆极化天线安置在有强烈震动的飞行器上，即使飞行器[1,4]的飞行状态非常不稳定，我们也可以接收到圆极化的波。因为具有这些优点，圆极化的波在天文观测、卫星遥感、航天通信等现代无线电波传输中具有广泛的应用。下面我们将主要阐述如何产生圆极化波，以及圆极化波有何种特性，以及圆极化波的主要的表征参数。2.1.1圆极化波的产生使发射端发出圆极化波的方法有很多种，例如：1、圆极化天线产生：有些天线可以依靠自身的结构发出圆极化的波，例如螺旋天[1]线。2、由圆极化器产生：由波源激励产生的一般是线极化波，通过能将线极化波转换[1]成圆极化波的微波元件：圆极化器，则可以得到圆极化波。3、圆极化罩转换法：通过在天线的辐射区加装一个圆极化转换罩，将出射的线极[1]化波转换成圆极化波出射。4、线极化垂直激励法：通过一个移相90度的电桥，使入射的线极化信号分解成振幅相等、相位差为90度的两个单独的信号，激励一个双极化天线的相互垂直的[4]输入端，辐射出的波就是圆极化波。以上几种圆极化波的产生方法中线-圆极化器转换法相对来说更简单易行，且是可逆的，即可以反过来使圆极化波变为线极化波，所以使用的较为普遍。本文研究的正式这样一种能将线极化与圆极化相互转换的圆极化器。7万方数据 第二章圆极化器基本原理与FSS基本原理研究2.1.2圆极化波的特性圆极化波相对于线极化波在现代通信中有很大优势，自然是由圆极化波的特[1-4]性引起的：1.圆极化波的电场是瞬时旋转的，并且旋转振幅是相等。我们向波的传播矢量看去时，瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若沿传播方向看去电场矢量是逆时针旋转的，则称为左旋圆极化波；若电场矢量是顺时针旋转的，则称之为右旋圆极化波。2.一个圆极化波可以看成两个相互垂直且振幅相等，相位相差90度的两个线极化波的合成。这也就是线极化波转换为圆极化波的基本原理。3.两个旋转方向相反的圆偏振的波，可以合成一个任意偏振形式的波。其中，线偏振的极化波可以看成是两个幅度相等，旋转方向相反的圆偏振波的合成。因此，圆极化天线可以收到任何极化方式的波。同样，圆极化的来波也可以被任意极化方式的天线收到。4.天线只对旋转方向与自己相同的极化波产生反应，若天线旋转方向是左旋的，则不能接收右旋方向的极化波，若天线旋转方向是右旋的，则不能接受左旋方向的极化波，这其实就是发射天线和接受天线的互易定理。5.如果入射目标是对称的，例如球面等，则圆极化波入射后反射波的旋转方向变为反向的。这也就是圆极化波对雨、云有较好的抗干扰能力的原因。因为雨点和云中的水滴在空中近似为球形，圆极化的波入射后的反射波是反旋向的，不会对发射天线产生干扰。所以在现代通信、天文雷达、电子对抗等领域，圆极化波具有广泛的应用2.1.3圆极化波的主要参数2.1.3.1旋向圆极化波的旋向一般有两种定义方式：其一是，我们顺着波矢量的方向看去，如果电矢量的端点是顺时针旋转的，我们称其为右旋的，如果电矢量的端点是逆时针旋转的，为左旋的。其二是，我们逆着波矢量的方向看去，如果电矢量的端点是顺时针旋转的，我们称其为左旋的，如果电矢量的端点是逆时针旋转的，称8万方数据 第二章圆极化器基本原理与FSS基本原理研究为右旋的。假设在波的传播方向上，合成波矢与x轴的夹角为θ，则我们可以通过确定ddt/()的正负来辨别圆极化波的旋向：yt()Ecos(t)Ecos(t)111yy122tantanxt()cos(E)tcos(E)t11xx22（2-1）取EtEcos(t)cos()1yy122uEtEcos(t)cos()1xx122（2-2）则有d11(tanu)/(dtEE)()sin(EE)22x1y1x2y21d(tu)1（2-3）其中：22[Ecos(t)Ecos(t)][Ecos(t)Ecos(t)]1xxyy1221122（2-4）下面讨论两种情况：1.当E1x/E1y>E2x/E2y时，如果E2分量相比于E1分量是超前的，则有：d1(EEEE)sin()02x1y1x2y21dt()（2-5）由上式看到，对时间的导数是负的，说明矢量是从y轴向x轴旋转的，由定义可知这种旋向的波是左旋的。2.当E1x/E1y