本發(fā)明涉及微波(毫米波、太赫茲)遙感應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種非等距排列的極化線柵裝置。

背景技術(shù)：

微波(包括毫米波和太赫茲)遙感可全天時(shí)、全天候地提供全球大氣溫濕度、水汽含量、降雨量等空間氣象資料，還包括海洋表面溫度、海洋風(fēng)場(chǎng)、土壤濕度等資料，在大氣探測(cè)及海洋及陸地觀測(cè)中具有重要地位。在實(shí)際遙感應(yīng)用中，需要利用極化分離器把微波(毫米波、太赫茲)輻射分離為兩個(gè)相互垂直的極化方向，從而得到更多的遙感信息。極化線柵作為一種準(zhǔn)光極化分離器，被廣泛使用；在我國(guó)“高分一號(hào)”衛(wèi)星、風(fēng)云三號(hào)“微波濕度計(jì)”及國(guó)家空間中心微波遙感部研制的“全極化微波輻射計(jì)定標(biāo)源”等方面有重要應(yīng)用。

極化線柵是一種準(zhǔn)光器件，能將非極化電磁波轉(zhuǎn)變成相互垂直的兩種線極化分量。如圖1所示，常見(jiàn)的極化線柵都采用等距排列方式。

極化線柵有兩個(gè)最核心的參數(shù)：插入損耗和消光比。消光比表示垂直極化分量所占比例，消光比越高，表明極化線柵的極化分離能力越強(qiáng)。極化線柵的金屬填充因子代表極化線柵的疏密程度。填充因子為1時(shí)，極化線柵為一完整金屬板，填充因子為0時(shí)極化線柵為空氣墻。填充因子一般取值在0-1之間，這樣極化線柵就是金屬和空氣間隔分布。

極化線柵的插入損耗同頻率以及填充因子有關(guān)。極化線柵的填充因子對(duì)不同頻率及極化方式的電磁波的傳輸特性均有影響。極化方向垂直于線柵金屬排列方向的電磁波的傳輸損耗在填充因子小于98％時(shí)基本平坦不變，但是98％之后急劇增大。作為對(duì)比，極化方向平行于線柵排列的電磁波的傳輸損耗隨填充因子的增加而穩(wěn)定增加。消光比是指極化方向垂直于線柵排列方向的電磁波的傳輸損耗與極化方向平行于線柵排列方向的電磁波傳輸損耗之間的比值。消光比會(huì)隨著極化線柵的填充因子的增加而增加，在填充因子為90％到100％之間時(shí)可達(dá)到最大值，約為60dB，過(guò)了最高點(diǎn)后，極化方向垂直于線柵排列方向的電磁波的傳輸損耗和消光比同時(shí)急劇降低。

因此填充因子對(duì)極化線柵的兩個(gè)核心參數(shù)都有很重要的影響。隨著頻率的提高，要達(dá)到高的填充因子，就需要減小線柵內(nèi)相鄰金屬絲(條)之間的間距，在頻率很高時(shí)(亞毫米波/太赫茲頻段)，對(duì)極化線柵的加工精度及加工工藝提出了很高的要求。

傳統(tǒng)極化線柵的等距排列方式在獲得較高填充因子的時(shí)候，金屬部分所占的比例較大，極化方向垂直于線柵排列方向的電磁波的穿透率低；而且金屬絲之間的間隔很窄，加大了加工難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)極化線柵的等距排列方式存在的上述缺陷，通過(guò)金屬絲的非等距排列的設(shè)計(jì)，為準(zhǔn)光極化分離器提供了一種新的極化線柵，該極化線柵通過(guò)合理的將金屬絲排列方式分為窄間距簇，窄間距簇之間又有寬間距分離；這種窄、寬間距的配合使用，改變了傳統(tǒng)極化線柵的等間距排列方式，跟傳統(tǒng)等間距排列的極化線柵相比，在相同插入損耗的情況下，具有更高的消光比。在相同消光比的情況下，又具有更低的插入損耗。同時(shí)，能夠在實(shí)際填充因子只有48％左右的情況下，得到等效填充因子80％以上，在高頻區(qū)域，能夠適當(dāng)降低加工難度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種非等距排列的極化線柵裝置，所述裝置包括：若干個(gè)非等距排列的金屬絲和邊框；若干個(gè)金屬絲通過(guò)豎直排列的方式鑲嵌在邊框內(nèi)；非等距排列的金屬絲是指金屬絲之間的距離不同，距離有兩種：寬間距和窄間距，通過(guò)設(shè)定寬間距和窄間距的值、窄間距和寬間距的數(shù)量以及金屬絲的直徑來(lái)調(diào)整優(yōu)化極化線柵的填充因子，插入損耗以及消光比這些核心參數(shù)。

上述技術(shù)方案中，所述通過(guò)設(shè)定寬間距和窄間距的值、窄間距和寬間距的數(shù)量以及金屬絲的直徑來(lái)調(diào)整優(yōu)化極化線柵的填充因子，插入損耗以及消光比這些核心參數(shù)的具體過(guò)程為：首先根據(jù)極化線柵的填充因子設(shè)定窄間距數(shù)量和寬間距數(shù)量比；然后設(shè)定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的取值范圍；在取值范圍為內(nèi)，遍歷寬間距、窄間距以及金屬絲的直徑，根據(jù)得到的極化線柵的填充因子，插入損耗以及消光比，從而確定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的最優(yōu)取值。

上述技術(shù)方案中，如果采用印制板打印技術(shù)，所述裝置還包括：印制板基板。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

1、本發(fā)明的非等距排列的極化線柵裝置，由非等距排列的金屬絲及邊框構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整金屬絲的粗細(xì)，設(shè)定寬間距及窄間距大小以及寬窄間距分布特性來(lái)在實(shí)際填充因子較低的情況下獲得較高的等效填充因子，從而在滿足插入損耗的要求下實(shí)現(xiàn)較高的消光比，提供極化線柵的極化分離能力；同時(shí)，在相同消光比的情況下，采用非等距排列的極化線柵的插入損耗要大大低于傳統(tǒng)等距排列的極化線柵，在頻率較高時(shí)尤為明顯；

2、本發(fā)明的裝置具有實(shí)際填充因子低，等效填充因子高，插入損耗低，消光比高，對(duì)加工工藝要求較低等特點(diǎn)；

3、本發(fā)明的極化線柵裝置可應(yīng)用在星載、地基輻射計(jì)系統(tǒng)中。也可應(yīng)用在各種輻射計(jì)變溫源裝置中，包括全極化輻射計(jì)定標(biāo)源；

4、本發(fā)明的極化線柵裝置可以用于室外及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、熱真空環(huán)境和衛(wèi)星平臺(tái)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有的等距排列極化線柵示意圖；

圖2為本發(fā)明的非等距排列極化線柵示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種通過(guò)改變極化線柵的排列分布方式來(lái)提高線柵的等效填充因子。將傳統(tǒng)極化線柵的等距排列方式改變?yōu)榉堑染嗯帕蟹绞剑脤?shí)際低填充因子的非等距排列線柵實(shí)現(xiàn)同高填充因子等距排列極化線柵相同的技術(shù)參數(shù)。從而大大降低高頻極化線柵對(duì)工藝的要求，能夠更好的設(shè)計(jì)與加工出滿足亞毫米波/太赫茲頻段使用的極化線柵。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的非等距排列的極化線柵進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖2所示，一種非等距排列的極化線柵裝置，所述裝置包括：若干個(gè)非等距排列的金屬絲和邊框；所述邊框?yàn)閳A形，若干個(gè)金屬絲通過(guò)豎直排列的方式鑲嵌在邊框內(nèi)；非等距排列的金屬絲是指金屬絲之間的距離不同，距離有兩種：寬間距和窄間距，通過(guò)設(shè)定寬間距和窄間距的值、設(shè)定窄間距和寬間距的數(shù)量，以及設(shè)定金屬絲的直徑來(lái)調(diào)整優(yōu)化極化線柵的填充因子，插入損耗以及消光比這些核心參數(shù)；具體過(guò)程為：首先根據(jù)極化線柵的填充因子設(shè)定窄間距數(shù)量和寬間距數(shù)量比；然后設(shè)定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的取值范圍；在取值范圍為內(nèi)，遍歷寬間距、窄間距以及金屬絲的直徑，根據(jù)得到的極化線柵的填充因子，插入損耗以及消光比，從而確定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的最優(yōu)取值，由此制作出非等距排列的極化線柵裝置。

如果采用印制板打印技術(shù)，所述裝置還包括：印制板基板。

極化線柵的自諧振頻率f₀可以用集總參數(shù)來(lái)描述：

其中L_s是片狀電感、C_g是間隙電容。

片狀電感跟極化線柵的填充因子之間的關(guān)系如下：

ff是填充因子，l是極化線柵周期，μ₀是自由空間的介電常數(shù)，σ是金屬電導(dǎo)率，f為頻率；L_s的單位為H/m₂。由上式可知：片狀電感和填充因子呈正比。這在物理上也是合理的，因?yàn)樵黾犹畛湟蜃右馕吨黾咏饘俨糠炙急壤瑥亩黾痈袘?yīng)系數(shù)。

極化線柵的間隙電容如下：(單位F/m²)

其中，ε_e為有效介電常數(shù)，Z₀為金屬絲的特征阻抗，c為真空中的光速，l為線柵周期。為了確定上式中的有效介電常數(shù)ε_e，極化線柵中的金屬絲可看做微帶傳輸線。基于微帶線理論，有效介電常數(shù)可看作為等價(jià)替換微帶線周圍的空氣和襯底的均勻介質(zhì)。有效介電常數(shù)跟頻率有關(guān)，間隙電容隨填充因子及頻率單調(diào)遞增。物理上也具有合理性，因?yàn)樘畛湟蜃拥脑黾訒?huì)減小金屬絲之間的間距從而增加了間隙電容(同平行板電容類似)。

結(jié)合片狀電感與間隙電容的計(jì)算并利用式(1)可以得到極化線柵的自諧振頻率。自諧振頻率隨填充因子單調(diào)遞減，這同樣也具有物理意義。因?yàn)殡S著填充因子的提高，片狀電感及間隙電容同時(shí)提高。自諧振頻率在低填充因子時(shí)很高，在ff＝2.5％時(shí)能達(dá)到2000GHz以上。最開(kāi)始，自諧振頻率在填充因子很低并增加時(shí)迅速降低。當(dāng)填充因子變大后，自諧振頻率隨填充因子變化緩慢，并在填充因子很高的時(shí)候趨于約125GHz不變。

本發(fā)明采用實(shí)際低的填充因子的極化線柵達(dá)到較高的等效填充因子，能夠使實(shí)際48％金屬填充因子的極化線柵達(dá)到等效填充因子為80％；實(shí)際30％金屬填充因子的極化線柵達(dá)到等效填充因子為50％。在實(shí)際金屬填充因子只有48％(30％)的時(shí)候，其消光比能夠達(dá)到均勻排列時(shí)80％(50％)填充因子時(shí)相當(dāng)?shù)乃剑貏e是在頻率較高的情況時(shí)。

本發(fā)明提供的非等距排列的極化線柵，能夠?qū)崿F(xiàn)高等效填充因子的設(shè)計(jì)；相比傳統(tǒng)的均勻排列極化線柵含有更少的金屬部分，但是對(duì)于極化方向垂直于線柵排列方向的電磁波具有更好的穿透特性，特別是高頻情況時(shí)。同時(shí)，極化方向平行于線柵排列方向的傳輸抑制特性雖然略低于真實(shí)的高填充因子時(shí)的情況，但是也要優(yōu)于實(shí)際低填充因子的均勻排列極化線柵。但是，通過(guò)非等距排列實(shí)現(xiàn)高等效填充因子的設(shè)計(jì)所獲得的消光比仍然很高，跟高填充因子的均勻排列的情況相當(dāng)。因此，采用非等距排列獲得高等效填充因子的設(shè)計(jì)能夠滿足高穿透率的要求下實(shí)現(xiàn)高的消光比的應(yīng)用場(chǎng)景。