一種亞毫米波準光掃描天線結構的FDTD分析

1 引言

掃描天線廣泛應用于各種跟蹤定位雷達系統(tǒng)中。通常的掃描方式分為電掃描和機械掃描。本文分析了一種準光機械掃描天線結構，如圖1。該結構分為兩個部分，一是透鏡引導部分，其關鍵是擴展半球延伸結構，該延伸結構是軸對稱的。電磁波經過凸透鏡的會聚入射到擴展半球，通過擴展半球延伸結構引導會聚產生聚束電磁波。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進行分析。第二部分是極化扭轉掃描天線，它由極化扭轉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極化反射器。極化反射器再將入射波的極化方向旋轉90°，然后穿過拋物面發(fā)射出去，其結構如圖2。首先編寫對稱結構的二維FDTD程序，觀察電磁波在擴展半球引導裝置中的傳播過程，對引導裝置參數(shù)進行分析優(yōu)化；其次加入天線部分對整個系統(tǒng)進行FDTD分析，根據口徑場積分得到遠區(qū)場，最后編寫極化扭轉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化為差分方程，在時域進行數(shù)值計算，能處理十分復雜的電磁問題，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。

圖1 天線整體結構圖

圖2 極化扭轉天線

(1)

(2)

(3)