線極化波和圓極化波與腔體的耦合比較

摘 要:線極化波與腔體的耦合效果受腔體上窄縫方向的影響很大，而圓極化波與腔體的耦合對(duì)窄縫方向的依賴比較小。利用時(shí)域有限差分法，采用相同振幅的線極化波和圓極化波入射，分別計(jì)算它們與開(kāi)有單縫和T形縫隙的屏蔽腔體的孔縫耦合效應(yīng)。比較兩種極化形式的波入射時(shí)，耦合到腔體內(nèi)部功率密度最大值隨極化方向的變化關(guān)系，從而得出結(jié)論:同幅度的圓極化波比線極化波更容易耦合進(jìn)入腔體，并不易受縫隙形狀影響。

關(guān)鍵詞:時(shí)域有限差分;圓極化;線極化;孔縫耦合

中圖分類號(hào):TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-037-03

Comparison of Cavity′s Coupling Characteristics Excited

by Circularly Polarized Wave and Linearly Polarized Wave

LI Lihua1，LIAO Cheng2，YANG Dan2

(1.Jincheng Institute，Sichuan University，Chengdu，611731，China;2.Institute of Electromagnetics，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)

Abstract:The coupling power greatly depends on the slots′ direction of a cavity for the linearly polarized wave incidence，but weakly depends for the circularly polarized wave.The coupling characteristics of cavity with single and T-shape slot are simulated for the above two kinds of waves incidence by using the finite-difference time-domain method.By comparing the waveforms of the coupling power density′s maximum changed with polarization direction，the conclusion is obtained that circularly polarized wave can couple into cavity more easily than linearly polarized wave which have the same amplitude，and the shape of slots have little influence on circularly polarized wave′s coupling.

Keywords:finite-difference time-domain;circularly polarized wave;linearly polarized wave;slot coupling

0 引 言

在將來(lái)的電子戰(zhàn)中，通過(guò)發(fā)射強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備尤其是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行干擾或破壞可能成為一種主要手段。電磁干擾及其電磁兼容問(wèn)題早已成為人們研究的熱點(diǎn)[1-8]。屏蔽腔是人們廣泛采用的保護(hù)電子設(shè)備的一種有效方法，但為了電纜的連接，器件的散熱通風(fēng)或其他的各種用途，又不得不在屏蔽腔上開(kāi)一些孔縫或孔陣，電磁波就得以通過(guò)這些孔縫耦合進(jìn)入腔體，對(duì)電子器件造成不同程度的損害。

目前，對(duì)開(kāi)有單孔或簡(jiǎn)單孔陣的屏蔽腔的研究已經(jīng)有很多，但他們大多都是基于線極化波來(lái)進(jìn)行研究的，如采用快速上升前沿脈沖[3]，超寬帶電磁脈沖[4，5]，調(diào)制高斯脈沖 [6，7]，雙指數(shù)平面脈沖波[8]等。在對(duì)縫隙的設(shè)置上除了研究長(zhǎng)方形縫隙以外，還研究了計(jì)算機(jī)機(jī)箱的縫隙等。研究表明，除了正方形和圓形類結(jié)構(gòu)對(duì)稱型孔洞外，入射波的極化方向?qū)︸詈线M(jìn)腔體的能量有明顯的影響。以長(zhǎng)方形窄縫為例，當(dāng)極化方向垂直于窄縫時(shí)，耦合進(jìn)腔體的場(chǎng)強(qiáng)較大，對(duì)腔體內(nèi)元器件造成損害的可能性也越大;當(dāng)極化方向平行于窄縫時(shí)，耦合進(jìn)腔體的場(chǎng)強(qiáng)非常小;其他極化方向耦合進(jìn)去的能量介于這兩者之間[3]。如果采用線極化波作為入射源，除非能預(yù)先知道電子設(shè)備的縫隙方向，否則都不能使電磁波高效的耦合進(jìn)入機(jī)箱。

另一方面，波的極化、振幅、相位都是表示電磁場(chǎng)基本特性的物理量，因此極化也可以用來(lái)傳遞信息。隨著衛(wèi)星通信、遙控、遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及對(duì)高速目標(biāo)在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測(cè)量的需要，圓極化波的應(yīng)用受到了人們的高度重視，加上圓極化波在傳播中能抑制雨霧干擾，并且能抗多徑效應(yīng)，目前已廣泛用作信號(hào)源，如圓極化天線、圓極化廣播、圓極化衛(wèi)星測(cè)控天線、圓極化器等。

本文采用時(shí)域有限差分方法進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了振幅相同的圓極化波和線極化波分別與開(kāi)有單縫和T形縫隙的腔體耦合情況，研究了其對(duì)應(yīng)的功率密度最大值隨極化角度的變化規(guī)律，得出了較有參考價(jià)值的結(jié)論。

1 線圓極化波與開(kāi)有單縫的腔體的耦合

1.1 計(jì)算模型及入射波的設(shè)置

研究圖1所示的理想導(dǎo)體構(gòu)成的矩形空腔屏蔽體，厚度不計(jì)，坐標(biāo)原點(diǎn)o選在面對(duì)來(lái)波方向的正面看去的右下角，腔體尺寸為45 cm×22.5 cm×40.5 cm，所占的空間網(wǎng)格數(shù)目為60×30×54。在前面板的正中央開(kāi)一條長(zhǎng)10.5 cm，寬1.5 cm的矩形縫隙，入射波沿x軸正方向垂直入射到該腔體的前面板上，k為傳播方向，u為極化角度，對(duì)正入射情況而言，u為電場(chǎng)方向與y 軸負(fù)半軸的夾角。圖1顯示了線極化波入射、極化角u=90°時(shí)入射波的設(shè)置情況，此時(shí)電場(chǎng)與z軸正方向平行，磁場(chǎng)平行于y軸負(fù)方向。整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格空間用連接邊界劃分為總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)，入射波距離機(jī)箱的前表面4 cm，散射場(chǎng)區(qū)的最外層為吸收邊界，本文采用Mur二階吸收邊界來(lái)截?cái)嗌⑸鋱?chǎng)。

圖1 開(kāi)有單縫的屏蔽腔的設(shè)置

本文研究的線極化波為振幅1 000 V/m，周期為0.5 ns的正弦波，頻率為2 GHz。圓極化波則通過(guò)該線極化波與另外一束振幅相等，空間相互正交的余弦波與之疊加得到，合成波矢量隨時(shí)間的旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向k構(gòu)成左旋關(guān)系，合成的圓極化波與線極化波的振幅相等。

1.2 計(jì)算結(jié)果比較

選擇腔體內(nèi)距腔體前表面1.5 cm的m1為觀察點(diǎn)，其坐標(biāo)為(2，15，33)，與單縫的幾何中心位于同一個(gè)水平面上，在0°~180°范圍內(nèi)，改變極化角度u，計(jì)算前述的線極化、圓極化波分別與圖1中腔體的耦合。對(duì)線極化波來(lái)講，改變u就是改變極化方向，對(duì)于圓極化波而言，改變u則意味著改變圓極化波開(kāi)始旋轉(zhuǎn)的初始極化方向。每次計(jì)算20 ns，分別記錄每個(gè)極化角度對(duì)應(yīng)的波入射時(shí)，耦合到觀察點(diǎn)處的功率密度最大值，并將功率密度最大值與極化角度的變化關(guān)系繪于圖2中。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于觀察點(diǎn)m1，線極化波入射時(shí)，當(dāng)極化角度u=0°和u=180°時(shí)，耦合到m1點(diǎn)的功率密度最大值最小，幾乎為0;當(dāng)線極化波的極化角度u=90°時(shí)，耦合到m1點(diǎn)的功率密度最大，為3 556 W/m2。規(guī)定電場(chǎng)方向與縫隙長(zhǎng)邊垂直時(shí)為垂直極化，與縫隙長(zhǎng)邊平行時(shí)為平行極化，那么可以得出結(jié)論:當(dāng)入射波為垂直極化時(shí)耦合進(jìn)腔體的能量最大，當(dāng)入射波為平行極化時(shí)耦合進(jìn)腔體的能量最小。付繼偉等對(duì)長(zhǎng)方形孔的垂直極化和平行極化兩種情況做了研究[3]，得出平行極化耦合進(jìn)腔體的能量少，垂直極化耦合進(jìn)腔體的能量最大，這與本文的結(jié)論基本一致。但付繼偉預(yù)測(cè)，其他非平行極化和垂直極化的情況是這兩者的線性組合，但從本文計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，功率密度最大值隨極化角度變化的全過(guò)程并非簡(jiǎn)單的線性變化，可以看到，在0°≤u≤20°，160°≤u≤180°以及90°附近的范圍內(nèi)變化較為平緩，其他區(qū)域變化接近于線性而非準(zhǔn)線性，因此對(duì)線極化波與腔體的耦合中改變極化角度，耦合進(jìn)腔體的能量的變化不能簡(jiǎn)單地概括為一個(gè)垂直極化和平行極化的線性組合。

圖2 點(diǎn)m1處功率密度最大值的極化比較(單縫)

從圖2中還可以看出，初始極化角度u的改變對(duì)圓極化波耦合進(jìn)該腔體的功率密度最大值的影響比對(duì)線極化波的影響要小很多，換句話說(shuō)，圓極化波受初始極化方向的影響較線極化波小。圖2還表明，當(dāng)u在0°~180°范圍內(nèi)變化，圓極化波入射時(shí)，耦合到m1點(diǎn)的功率密度最大值除極化角度為90°附近以外，恒大于線極化波耦合到該點(diǎn)的功率密度最大值，說(shuō)明圓極化波比同幅度的線極化波更容易通過(guò)孔縫耦合進(jìn)腔體內(nèi)部。

2 線圓極化波與開(kāi)有T形縫隙的腔體的耦合

2.1 計(jì)算模型

為了減小線極化波由于極化方向的不同對(duì)耦合進(jìn)腔體的場(chǎng)造成的差異，并且為更具一般性，創(chuàng)建如圖3所示的帶T形縫隙的腔體模型。在前面板上開(kāi)有兩條長(zhǎng)方形縫隙ab，cd，這兩條縫的長(zhǎng)和寬都對(duì)應(yīng)相等，分別為10.5 cm和1.5 cm。ab縫右側(cè)離z軸距離6 cm，下側(cè)離y軸24 cm;cd縫右側(cè)離z軸10.5 cm，下側(cè)離y軸15 cm。圖3顯示了線極化波入射，極化角u=90°時(shí)的設(shè)置情況。整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格空間用連接邊界劃分為總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)，入射波距離機(jī)箱的前表面4 cm，散射場(chǎng)區(qū)的最外層為吸收邊界。本文采用Mur二階吸收邊界來(lái)截?cái)嗌⑸鋱?chǎng)，入射波的設(shè)置與前文一致。

圖3 開(kāi)有T形縫隙的屏蔽腔的設(shè)置

2.2 計(jì)算結(jié)果比較

選擇腔體內(nèi)距腔體前表面1.5 cm的m1，m2為觀察點(diǎn)。其中，m1坐標(biāo)為(2，15，33)，位于兩縫隙的交界處;m2坐標(biāo)為(2，11，29)，與兩條縫隙的距離相等。

在0°~180°范圍內(nèi)改變夾角u，計(jì)算如前所述線極化波和圓極化波分別與開(kāi)T型縫隙的腔體的耦合。每次計(jì)算20 ns，分別記錄每個(gè)極化角度對(duì)應(yīng)的波入射時(shí)，耦合到觀察點(diǎn)處的功率密度最大值，并將功率密度最大值與極化角度的變化關(guān)系繪于圖4中。

圖4 功率密度最大值的極化比較

從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線極化波的極化角度u=0°和u=180°時(shí)，耦合到m1點(diǎn)的功率密度最小，為1 000 W/m2;當(dāng)線極化波的極化角度u=90°時(shí)，此時(shí)耦合到m1點(diǎn)的功率密度最大，約為5 000 W/m2。其最大值與最小值之間的差異達(dá)到了4 000 W/m2，波動(dòng)幅度很大。設(shè)置T形縫隙時(shí)，線極化波對(duì)應(yīng)的曲線呈現(xiàn)的規(guī)律與單一水平縫隙ab時(shí)呈現(xiàn)的規(guī)律一致，說(shuō)明耦合到該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)主要來(lái)源于水平縫隙ab。

分析圖4(b)中線極化對(duì)應(yīng)的曲線可以看到，該曲線的波動(dòng)范圍比圖4(a)中線極化波對(duì)應(yīng)的波動(dòng)范圍要

小很多，這主要是由于該點(diǎn)與兩條縫隙具有相同的距

離，ab縫不再是影響該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的惟一通道，圖中0°<u<30°和150°<u<180°對(duì)應(yīng)的圖形具有明顯轉(zhuǎn)折，就是由于cd縫的影響造成的。

觀察圖4中圓極化波耦合到該點(diǎn)的最大值變化情況可以看到，當(dāng)入射波為圓極化時(shí)，耦合到m1點(diǎn)和m2點(diǎn)的功率密度最大值基本都位于一條直線上，與線極化波的結(jié)果相比較，波動(dòng)幅度很小。再次說(shuō)明圓極化波受極化初始方向的影響小，換句話說(shuō)，圓極化波受縫隙擺放方向的影響很小。從圖4還可以看出，當(dāng)u在0°~180°范圍內(nèi)變化，圓極化波入射時(shí)耦合到兩觀察點(diǎn)的功率密度最大值恒大于線極化波耦合到該點(diǎn)的功率密度最大值，圓極化波比同幅度的線極化波更容易通過(guò)孔縫耦合進(jìn)腔體內(nèi)部。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的分析計(jì)算得到，線極化波與非對(duì)稱性孔縫的腔體耦合時(shí)，耦合進(jìn)腔體的能量與極化方向密切相關(guān)，極化方向的不同會(huì)對(duì)耦合進(jìn)去的場(chǎng)值產(chǎn)生很大的影響。圓極化波與腔體的耦合與開(kāi)始旋轉(zhuǎn)的初始極化方向基本無(wú)關(guān)。和線極化得到的結(jié)果相比較，圓極化波耦合進(jìn)機(jī)箱的能量更大，而且無(wú)論縫隙的形狀如何，它都可以較好地耦合進(jìn)腔體，加上目前圓極化波的廣泛應(yīng)用，在研究腔體耦合類問(wèn)題時(shí)，必須重視圓極化波的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]Taflove A，Umashankar K，Beker B，et al.Detailed FD-TD Analysis of Electromagnetic Fields Penetrating Narrow Slots and Lapped Joints in Thick Conducting Screens[J].IEEE Trans.on Antennas Propagat，1998，36(2):247-257.

[2]Audone B，Balma M.Shielding Effectiveness of Apertures in Rectangular Cavities[J].IEEE Trans.on Electromagn Compat.，1989，31(1):102-106.

[3]付繼偉，侯朝楨，竇麗華.電磁脈沖斜入射時(shí)對(duì)孔縫耦合效應(yīng)的數(shù)值分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2003(3):249-252.

[4]廖成，楊丹，方劍.不同極化方向電磁脈沖作用于計(jì)算機(jī)機(jī)箱的效應(yīng)分析[J].微波學(xué)報(bào)，2007(4):28-31.

[5]Yang Dan，Liao Cheng，Chen Wei.Numerical Analysis on Coupling Effects of UWB Pulse into Computer Case[A].Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings[C].Suzhou，2005:3 097-3 100.

[6]范穎鵬，杜正偉，龔克.開(kāi)縫矩形腔屏蔽特性的研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2005(12):2 005-2 007.

[7]俞漢清，王建國(guó)，陳雨升，等.微波脈沖窄縫耦合的數(shù)值模擬方法[J].電子學(xué)報(bào)，1996，3(3):120-123.

[8]陳莉，趙永久.電磁脈沖對(duì)帶孔縫腔體的耦合特性[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2005(2):29-34.