一種亞毫米波準(zhǔn)光掃描天線結(jié)構(gòu)的FDTD分析

1 引言

掃描天線廣泛應(yīng)用于各種跟蹤定位雷達(dá)系統(tǒng)中。通常的掃描方式分為電掃描和機(jī)械掃描。本文分析了一種準(zhǔn)光機(jī)械掃描天線結(jié)構(gòu)，如圖1。該結(jié)構(gòu)分為兩個部分，一是透鏡引導(dǎo)部分，其關(guān)鍵是擴(kuò)展半球延伸結(jié)構(gòu)，該延伸結(jié)構(gòu)是軸對稱的。電磁波經(jīng)過凸透鏡的會聚入射到擴(kuò)展半球，通過擴(kuò)展半球延伸結(jié)構(gòu)引導(dǎo)會聚產(chǎn)生聚束電磁波。通常分析透鏡可以使用射線追跡或者時域有限差分法，本文采用FDTD進(jìn)行分析。第二部分是極化扭轉(zhuǎn)掃描天線，它由極化扭轉(zhuǎn)板與刻蝕有柵條的拋物反射面組成。拋物面是由一種低耗介質(zhì)加工成型的，真空鍍膜后再用光刻腐蝕法加工成相互平行的鍍金銅質(zhì)柵條。該柵條與初級饋源輻射電場的極化方向一致，故拋物面柵條將入射波反射回扭轉(zhuǎn)極化反射器。極化反射器再將入射波的極化方向旋轉(zhuǎn)90°，然后穿過拋物面發(fā)射出去，其結(jié)構(gòu)如圖2。首先編寫對稱結(jié)構(gòu)的二維FDTD程序，觀察電磁波在擴(kuò)展半球引導(dǎo)裝置中的傳播過程，對引導(dǎo)裝置參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化；其次加入天線部分對整個系統(tǒng)進(jìn)行FDTD分析，根據(jù)口徑場積分得到遠(yuǎn)區(qū)場，最后編寫極化扭轉(zhuǎn)板掃描一定角度的二維FDTD程序，計算其掃描特性。給出系統(tǒng)總體評估。

2 FDTD基本理論

2.1 FDTD迭代公式

FDTD(時域有限差分法)以Yee元胞為空間電磁場離散單元，將麥克斯韋旋度方程轉(zhuǎn)化為差分方程，在時域進(jìn)行數(shù)值計算，能處理十分復(fù)雜的電磁問題，并具有很好的穩(wěn)定性和收斂性。在各向同性線性媒質(zhì)中，二維TM波FDTD迭代公式^[2]如式(1)-（3）。其中各參數(shù)定義可參考文獻(xiàn)。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 極化扭轉(zhuǎn)天線

(1)

(2)

(3)