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(jīng)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(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(jù)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) 2.2 吸收邊界處理

FDTD計算只能在有限區(qū)域進行，因此必須在計算區(qū)域的截斷邊界處給出吸收邊界條件。本文使用各向異性介質完全匹配層(UPML)。二維TM波的UPML時域微分方程如式(4)。通過驗證點源與高斯束傳播情形(如圖3，圖4)可以發(fā)現(xiàn)吸收效果良好。

圖3 點源傳播情形

圖4 高斯束傳播情形

3 計算結果分析

凸透鏡口徑30mm，外圓半徑54mm，擴展半球口徑6mm，擴展長度1.5mm，延伸部分外圓弧半徑3.6mm，延伸結構右端口徑0.3mm。波源設置為高斯束，并截斷800個時間步。計算得到各時間步的電磁波傳播狀態(tài)如圖5。口徑場分布如圖6，遠區(qū)場方向圖如圖7?？梢钥闯?，電磁波經(jīng)過擴展半球沿著延伸結構逐漸引導會聚形成聚束電磁波，經(jīng)過拋物面和極化扭轉板產(chǎn)生一個銳波束。副瓣電平小于-30dB，半功率波瓣寬度約為1.4º。

圖5 各時間步電磁波傳播情形

圖6 口徑場分布

圖7 遠區(qū)方向圖

4 結論

本次設計優(yōu)化了透鏡參數(shù)，使得電磁波能夠很好的會聚形成聚束電磁波，并結合極化扭轉天線進行了整體分析計算，總體性能良好。極化扭轉板的掃描結果仍在繼續(xù)計算中。下一步也將對天線的帶寬性能進行分析計算。