亞毫米波頻率選擇表面圓極化器研究

董小華

（電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054）

遠紅外及亞毫米波射電天文學技術在天文學觀測領域中占有重要位置。特別是近年來在亞毫米波，毫米波和FIR波段，大氣物理觀測的重要性明顯增加。這是因為由灰塵引起的熱連續輻射可用來探測質子星或質子星系，而一些射電星系和類星體的頻譜在亞毫米波段輻射量最大。另外，星載探測器的主要任務是探測星體上的活性分子的含量，如水，臭氧，一氧化碳和氮的各種氧化物的豐度。而這些活性分子的特點是在毫米、亞毫米波段的輻射強度最強。毫米波亞毫米波的主要缺點是，由于波源產生的波的極化方式一般是線極化的，而在毫米波段，線極化的波在傳輸中受云層、降雨等的影響較大，傳輸衰減嚴重。所以，單一極化方式的波已經難以適應新的通訊、探測等任務的要求。而線圓極化轉換器可以方便的使波在線極化和圓極化之間轉換?，F有的圓極化方式主要有波導圓極化器和光柵圓極化器，波導圓極化器由于尺寸的限制，難以在毫米波段實現高功率傳輸。光柵式圓極化器則有軸比不穩定， 帶寬較窄，損耗較大等缺點。而新的微加工方法的使用使得頻率選擇表面可以在亞毫米波段具有較高的加工精度，且具有成本低、體積小、插損低等特點。

本文利用開口諧振環的諧振特點，設計了一種縫隙式頻率選擇表面圓極化器，使用CST仿真軟件對開口環的縫隙長度、寬度、單位間距等參數進行了仿真模擬。得到了優化的結構尺寸，實現了工作中心頻率在 427GHz，最大相位差為81.3度，低于3dB的軸比帶寬為31.3%的頻率選擇表面圓極化器。

1 物理模型

圖1 頻率選擇表面的基本單元

本文設計的頻率選擇表面的基本單元如圖1.所示，其中a=20μm，b=30μm，c=20μm，d=60μm，e=220μm，Dx=360 μm。此基本單元是由兩個開口的方形縫隙結構嵌套組成，如圖2中a所示的外環和b所示的內環。兩個環的開口方向相互垂直。

圖2 組成基本單元的兩個部分：外環a和內環b。

2 極化轉換原理

當入射平面波垂直于頻率選擇表面入射時，入射波可分解為兩個相互垂直的分量：沿TM方向的和沿TE方向的，且兩者強度相等：初始相位相同：

根據軸比和相位差的定義：

即兩出射分量的強度相同，相位差為的奇數倍。

以上兩個要求可以利用開口諧振環的極化選擇的特性實現。通過使用內外兩個相互嵌套的諧振環，并且使兩者的開口方向相互垂直，則內環和外環分別對TM極化波和TE極化波進行選擇性的通過。由此產生了兩個相互垂直且強度相等的出射分量。同時利用內外兩個諧振環的電長度差，產生在中心頻率上下不同的兩個諧振，一個高于中心頻率的諧振對入射波的相位產生提前作用，另一個低于中心頻率的諧振對入射波產生相位延遲的作用。通過控制兩個諧振頻率的差的大小，實現兩個極化方向的出射波的相位差為90度。則可以實現將入射的線極化的平面波轉換為圓極化的平面波。反之也可將圓極化波轉化為線極化波，實現線圓極化的相互轉換。

3 開口諧振環的極化選擇特性

我們使用CST微波工作室軟件對圖2中的外環和內環分別進行仿真。使入射平面波垂直于頻率選擇表面入射，且入射的線極化電場方向與表面的兩個邊軸夾角為45度。則可以使入射的電場在相互垂直的兩個方向TE、TM上分解為兩個等強度、等初相位的分量。而開口諧振環的開口方向的不同，對諧振的響應強度也不同。圖3所示的是外環a對TE方向和TM方向的極化波的透過率曲線。表明TE極化的波在360GHz左右有很好的透過率，而TM極化方向的波在此頻率周圍大部分被反射。同樣，圖4.所示的是內環b對兩個方向的極化波的透過率對比。表明由于內環的開口方向與外環的開口方向垂直。因此TM極化的波在內環上有很好的透過率，而TE極化的波則大部分被反射。因此我們實現了將入射的線極化波分解為相互垂直的兩個分量的出射。圖5.所示的是將內外兩個方環嵌套后的FSS的透過率曲線。曲線顯示TE極化波在稍低于 427GHz處有很好的透過率，而 TM極化波在稍高于427GHz處有很好的透過率。同時圖中顯示TE和TM極化分量的諧振頻率相比于單獨的外環或單獨的內環時都有微小的向低頻移動。這是由于嵌套后內外環間的相互耦合引起的。

圖3 外環對TE極化和TM極化波的選擇性通過

圖4 內環對TE極化和TM極化的波的選擇性通過

圖5 內外環嵌套后的表面對TE，TM波的透射率曲線

4 結構參數對諧振頻率的影響

4.1 開口環的縫隙長度

圖6 縫隙的開口寬度對外環諧振頻率的影響

當頻率選擇表面在平面波照射下時，有效電長度可以表示為下式：

式中L為頻率選擇表面的有效電長度，f和λ為入射波長的諧振頻率和波長，εr為頻率選擇表面介質襯底的介電常數，c的值一般取為光速。當頻率選擇表面周期單元的有效電長度為入射波半波長的整數倍時，在該頻率點就會發生諧振。而對環形結構，一般當環的周長近似為波長的整數倍時，會產生較強的諧振。如圖6.所示的是將外環的開口寬度e從220μm縮短為200μm和180μm時，外環的反射率曲線。圖像表明隨著開口寬度的減小，縫隙的實際有效電長度增加，使得縫隙的諧振頻率變低。

4.2 縫隙寬度

將外環的縫隙寬度加大，使其向內加寬，實際上是縮短了縫隙長度的平均值。 如圖7顯示，將縫隙向內加寬使得外環的諧振頻率向高頻方向移動。

圖7 縫隙寬度對外環的諧振頻率的影響

4.3 單元間距

頻率選擇表面的帶寬在很大程度上取決于單元間距。單元間距越小，單元間的耦合越大，單元間距越大，單元間的耦合越小。所以FSS單元間距的大小，影響FSS的諧振特性。如圖2a所示的外環結構，當單元間距離a增大時，FSS的結構變得稀松，單元間的耦合減小，諧振頻率增大，隨著陣列周期的進一步增大，諧振頻率趨于某一固定值。這是因為，當單元間的互偶可忽略時，FSS的諧振頻率趨于單個單元的諧振頻率。當陣列間距增大到一定程度時，將出現柵瓣，降低傳輸效率。由圖8.可見，單元間距的變化對諧振頻率影響并不大，陣列周期由360μm增加到420μm時，諧振頻率的變化約只有 15GHz，但諧振帶寬卻發生了很大的變化。因為單元排列緊密時，可得到較寬的諧振帶寬，隨著單元間距的增大，FSS的相對帶寬單調減小。因此，我們可以通過調整陣列間距來控制FSS的傳輸帶寬。

圖8 單元間距離變化對FSS傳輸特性的影響

5 FSS對出射相位的影響

通過上面的分析，并利用CST軟件的優化，本文提出的圖1中的開口方環縫隙型FSS結構可以將相對于FSS結構有45度夾角的垂直入射線極化平面波分解為兩個沿相互垂直的TE、TM方向的等強度的分量。并通過調節內外環的諧振頻率差，使兩個分量在透射后產生相位提前和延后，達到相位差為90度。從而使出射波滿足圓極化的條件，使兩出射分量的合成波為圓極化波，實現了線圓極化的轉換。如圖9所示：兩個出射分量在427GHz處有最大相位差為81.3度，同時低于3dB的軸比帶寬為31.3%。

圖9 FSS兩出射分量TE、TM的相位差

6 結論

本文通過仿真方法，對開口方環型縫隙諧振環的極化選擇性能進行了分析，同時分析了縫隙長度、寬度、單元間距等結構參數對諧振頻率的影響，進而得出出射波的相位差隨各個參量的變化情況。通過對各個參量的優化調整，設計了一種嵌套式的開口縫隙諧振環結構的頻率選擇表面。此 FSS在亞毫米波段處，中心頻率為427GHz處實現了線圓極化的相互轉換。且圓極化軸比低于3dB時的帶寬為31.3%。此FSS圓極化器可以應用于亞毫米波的通信與探測中。

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