【平面电磁波的极化选择特性分析2300字】

平面电磁波的极化选择特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u18158平面电磁波的极化选择特性分析 1250471.1极化的分类 118041.1.1直线极化 166751.1.2圆极化 1275831.1.3椭圆极化 2241661.2极化选择表面 2306211.1.1现有与极化有关的频率选择表面 281671.1.2极化选择特性的影响因素 4135491.1.3FSS等效电路理论 51.1极化的分类平面电磁波的极化可以分为三种，分别为直线极化、圆极化和椭圆极化[3]。1.1.1直线极化在直角坐标系中均匀平面电磁波向z方向传播，电场有x方向的分量Ｅx和ｙ方向的分量Ｅy，者两个分量所合成电磁波的电场强度矢量的模随时间形成正弦变化，它们的矢端轨迹呈现出一条直线，因此，将这样的极化称为直线极化。1.1.2圆极化圆极化波是电场的水平分量Ex与垂直分量Ey振幅相同，相位差为π/2或3π/2的波。可见合成电磁波的电场强度的大小是常数。它的方向与x轴正向夹角将随时间变化，因此合成电场强度矢量的矢端随时间t变化的轨迹是一个圆，所以称这样的极化为圆极化。此外，在工程上将圆极化波分为左旋圆极化波和右旋圆极化波，具体规定为：电场强度矢量矢端的旋转方向与波的传播方向符合右手螺旋关系称为右旋圆极化波，而电场强度矢量矢端的旋转方向与波的传播方向符合左手螺旋关系称为左旋圆极化波1.1.3椭圆极化在一般情况下，Ex和Ey，φx和φy之间为任意关系。在空间固定点上，合成电场强度矢量随时间变换不断改变其大小和方向，其矢端轨迹为椭圆，所以称这样的极化为椭圆极化。也可以更简单地表示为：当电场的垂直分量Ey滞后Ex一个φ角时，为右旋椭圆极化；当电场的垂直分量E1.2极化选择表面1.1.1现有与极化有关的频率选择表面目前在具有极化选择特性的频率选择表面上的研究，有过如图1.1所示的单元结构，通过结构尺寸和周期排布不同的长短金属线相结合，来实现对不同频段的选通特性。图1.1（a）为具有TE极化选择特性的FSS结构，其中a=4mm，c1=1.4mm，w1=0.2mm，g1=0.2mm。图1.1（b）为具有TM极化选择特性的FSS结构，其中c2=0.8mm，g2=0.5mm，w1=0.2mm，w2=0.5mm。该结构实现了对特定频段TE和TM波选通，这样的设计可以借鉴在极化滤波器和极化产生器方面[4]。（a）具有TE极化选择特性的FSS结构（b）具有TM极化选择特性的FSS结构图1.1图中以横向和纵向的金属线条结合，上下两个结构形状类似，但方向不同，具体的参数尺寸也不同，这样的设计具有参考价值，本文设计的“工”字型结构的灵感来源于此，结合对极化选择特性的研究，设计出了符合课题要求的单元结构。极化变换器也运用到了极化的理论，如图1.2所示的双层FSS结构。FSS的工作频率被设计为5.9GHz，单元结构参数分别为：L=11.0mm，R1=1.5mm，R2=5.6mm，h=3.0mm,g=0.3mm为了避免上下层环形天线单元之间的近场耦合，采用了过孔对实现互连耦合，过孔对穿过中间开孔的共地结构，上下层环形天线单元及中间开孔的共地层结构分别如图1.2（c）～（d）所示。上层环形天线阵列可以实现对入射圆极化波的接收，下层环形天线阵列可以实现对旋向相反的圆极化波辐射。这样的基于平面环形天线对组成的单元构成一种具有圆极化变换功能的频率选择表面，其透射频率由天线单元及互连耦合线结构确定。具有较高的射透效率及圆极化变换效率[5]。图1.2(a)FSS结构(b)FSS单元结构(c)单元上层(d)开孔共地层(e)单元下层除了直接运用极化波来实现功能，极化波之间也能相互转换。如图1.3所示，该结构为单层线极化转圆极化单元结构。单元结构参数为w=8mm，wl=0.5mm,l1=6.24mm,l2=7.38mm,厚度t=0.2mm。两条缝隙相互垂直，横向缝隙的长度略大于22GHz波长的一半7.38mm，使得TE波收到较大的电感性作用，产生相位延迟。纵向缝隙长度略小于22GHz波长的一半6.24mm，使得TM波受到较大的电容性作用，产生相位的提前。通过调节两条缝隙的长度，可以使得在22GHz处两分量的相位差约等于90，出射幅度大致相等，使得出射的信号为圆极化信号[6]。图1.2单层线圆极化转换器1.1.2极化选择特性的影响因素通常来说缝隙的长度为谐振颊率的半波长左右。由下式可以得到，f=cεeff式中l为缝隙的长度，εeff使得单元结构的单元间距，金属片厚度，缝隙的宽度等参数保持不变，仅改变开槽缝隙的长度。随着长度的减小，对应的谐振频率的波长逐渐减小,所以谐振频率逐渐升高,传输曲线的谐振点逐渐向高频移动。所以可以通过调节开槽绛隙的长度来影响谐振频率。保持单元结构除缝隙宽度之外的其它参数不变，只改变单元结构的参数，FSS单元结构的缝隙宽度增大。FSS的谐振点向低频略有偏移，但是其带宽却有明显的提升。缝隙的宽度对频率选择表面的谐振点和频率选择带宽都有影响，其中对频率选择带宽的影响更加明显。频率选择表面单元结构的间距对频率选择表面也具有一定的影响。频率选择表面单元间距增加的过程中，谐振点逐渐向低频偏移，且传输带宽逐渐减小。这是因为随着单元间距的变大，结构间的相互作用减低，频率选择表面单元之间的耦合作用减小，使得谐振频点向低频偏移，传输带宽变窄。因此可以通过调节单元间距来调整频率选择表面的传输带宽以及谐振频率。1.1.3FSS等效电路理论频率选择表面可以等效为电路模型[7],在这个等效电路模型中，无限大周期性FSS单元可以等效成为并联的集总元件,入射电磁波与FSS的相互作用可以表示成传输线(含电容、电感等)的传输波。而对于FSS阵列的导电细线结构,其等效为电容或电感取决于入射波电场是垂直还是平行于表面的金属细线。实际上，FSS是一种空间滤波器。按照滤波的特性，还可以分为低通、高通﹑带阻和带通FSS。其典型结构为贴片型、栅格型、环形和缝隙型FSS单元结构[6]。在入射波交变电磁场作用下，FSS单元可以等效成电容和电感的串并联组合。以典型方形贴片FSS为例。假设人射波电场沿竖直方向垂直入射到FSS阵列上，