一种亚毫米波准光扫描天线结构的FDTD分析

引言

扫描天线广泛应用于各种跟踪定位雷达系统中。通常的扫描方式分为电扫描和机械扫描。本文分析了一种准光机械扫描天线结构，如图1。该结构分为两个部分，一是透镜引导部分，其关键是扩展半球延伸结构，该延伸结构是轴对称的。电磁波经过凸透镜的会聚入射到扩展半球，通过扩展半球延伸结构引导会聚产生聚束电磁波。通常分析透镜可以使用射线追迹或者时域有限差分法，本文采用FDTD进行分析。第二部分是极化扭转扫描天线，它由极化扭转板与刻蚀有栅条的抛物反射面组成。抛物面是由一种低耗介质加工成型的，真空镀膜后再用光刻腐蚀法加工成相互平行的镀金铜质栅条。该栅条与初级馈源辐射电场的极化方向一致，故抛物面栅条将入射波反射回扭转极化反射器。极化反射器再将入射波的极化方向旋转90°，然后穿过抛物面发射出去，其结构如图2。首先编写对称结构的二维FDTD程序，观察电磁波在扩展半球引导装置中的传播过程，对引导装置参数进行分析优化;其次加入天线部分对整个系统进行FDTD分析，根据口径场积分得到远区场，最后编写极化扭转板扫描一定角度的二维FDTD程序，计算其扫描特性。给出系统总体评估。

2 FDTD基本理论

2.1 FDTD迭代公式

FDTD(时域有限差分法)以Yee元胞为空间电磁场离散单元，将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，在时域进行数值计算，能处理十分复杂的电磁问题，并具有很好的稳定性和收敛性。在各向同性线性媒质中，二维TM波FDTD迭代公式[2]如式(1)-(3)。其中各参数定义可参考文献。

图1 天线整体结构图

图2 极化扭转天线

(1)

(2)

(3) 2.2 吸收边界处理

FDTD计算只能在有限区域进行，因此必须在计算区域的截断边界处给出吸收边界条件。本文使用各向异性介质完全匹配层(UPML)。二维TM波的UPML时域微分方程如式(4)。通过验证点源与高斯束传播情形(如图3，图4)可以发现吸收效果良好。

(4)

图3 点源传播情形

图4 高斯束传播情形

3 计算结果分析

凸透镜口径30mm，外圆半径54mm，扩展半球口径6mm，扩展长度1.5mm，延伸部分外圆弧半径3.6mm，延伸结构右端口径0.3mm。波源设置为高斯束，并截断800个时间步。计算得到各时间步的电磁波传播状态如图5。口径场分布如图6，远区场方向图如图7。可以看出，电磁波经过扩展半球沿着延伸结构逐渐引导会聚形成聚束电磁波，经过抛物面和极化扭转板产生一个锐波束。副瓣电平小于-30dB，半功率波瓣宽度约为1.4º。

图5 各时间步电磁波传播情形

图6 口径场分布

图7 远区方向图

4 结论

本次设计优化了透镜参数，使得电磁波能够很好的会聚形成聚束电磁波，并结合极化扭转天线进行了整体分析计算，总体性能良好。极化扭转板的扫描结果仍在继续计算中。下一步也将对天线的带宽性能进行分析计算。