线极化波和圆极化波与腔体的耦合比较

　　摘 要:线极化波与腔体的耦合效果受腔体上窄缝方向的影响很大,而圆极化波与腔体的耦合对窄缝方向的依赖比较小。利用时域有限差分法,采用相同振幅的线极化波和圆极化波入射,分别计算它们与开有单缝和T形缝隙的屏蔽腔体的孔缝耦合效应。比较两种极化形式的波入射时,耦合到腔体内部功率密度最大值随极化方向的变化关系,从而得出结论:同幅度的圆极化波比线极化波更容易耦合进入腔体,并不易受缝隙形状影响。
　　关键词:时域有限差分;圆极化;线极化;孔缝耦合
　　中图分类号:TN95 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)03-037-03
　　
　　Comparison of Cavity′s Coupling Characteristics Excited
　　 by Circularly Polarized Wave and Linearly Polarized Wave
　　LI Lihua1,LIAO Cheng2,YANG Dan2
　　(1.Jincheng Institute,Sichuan University,Chengdu,611731,China;2.Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)
　　Abstract:The coupling power greatly depends on the slots′ direction of a cavity for the linearly polarized wave incidence,but weakly depends for the circularly polarized wave.The coupling characteristics of cavity with single and T-shape slot are simulated for the above two kinds of waves incidence by using the finite-difference time-domain method.By comparing the waveforms of the coupling power density′s maximum changed with polarization direction,the conclusion is obtained that circularly polarized wave can couple into cavity more easily than linearly polarized wave which have the same amplitude,and the shape of slots have little influence on circularly polarized wave′s coupling.
　　Keywords:finite-difference time-domain;circularly polarized wave;linearly polarized wave;slot coupling
　　
　　0 引 言
　　
　　在将来的电子战中,通过发射强电磁脉冲对电子设备尤其是对计算机系统进行干扰或破坏可能成为一种主要手段。电磁干扰及其电磁兼容问题早已成为人们研究的热点[1-8]。屏蔽腔是人们广泛采用的保护电子设备的一种有效方法,但为了电缆的连接,器件的散热通风或其他的各种用途,又不得不在屏蔽腔上开一些孔缝或孔阵,电磁波就得以通过这些孔缝耦合进入腔体,对电子器件造成不同程度的损害。
　　目前,对开有单孔或简单孔阵的屏蔽腔的研究已经有很多,但他们大多都是基于线极化波来进行研究的,如采用快速上升前沿脉冲[3],超宽带电磁脉冲[4,5],调制高斯脉冲 [6,7],双指数平面脉冲波[8]等。在对缝隙的设置上除了研究长方形缝隙以外,还研究了计算机机箱的缝隙等。研究表明,除了正方形和圆形类结构对称型孔洞外,入射波的极化方向对耦合进腔体的能量有明显的影响。以长方形窄缝为例,当极化方向垂直于窄缝时,耦合进腔体的场强较大,对腔体内元器件造成损害的可能性也越大;当极化方向平行于窄缝时,耦合进腔体的场强非常小;其他极化方向耦合进去的能量介于这两者之间[3]。如果采用线极化波作为入射源,除非能预先知道电子设备的缝隙方向,否则都不能使电磁波高效的耦合进入机箱。
　　另一方面,波的极化、振幅、相位都是表示电磁场基本特性的物理量,因此极化也可以用来传递信息。随着卫星通信、遥控、遥测技术的发展,雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要,圆极化波的应用受到了人们的高度重视,加上圆极化波在传播中能抑制雨雾干扰,并且能抗多径效应,目前已广泛用作信号源,如圆极化天线、圆极化广播、圆极化卫星测控天线、圆极化器等。
　　本文采用时域有限差分方法进行数值仿真,分析了振幅相同的圆极化波和线极化波分别与开有单缝和T形缝隙的腔体耦合情况,研究了其对应的功率密度最大值随极化角度的变化规律,得出了较有参考价值的结论。
　　
　　1 线圆极化波与开有单缝的腔体的耦合
　　
　　1.1 计算模型及入射波的设置
　　研究图1所示的理想导体构成的矩形空腔屏蔽体,厚度不计,坐标原点o选在面对来波方向的正面看去的右下角,腔体尺寸为45 cm×22.5 cm×40.5 cm,所占的空间网格数目为60×30×54。在前面板的正中央开一条长10.5 cm,宽1.5 cm的矩形缝隙,入射波沿x轴正方向垂直入射到该腔体的前面板上,k为传播方向,u为极化角度,对正入射情况而言,u为电场方向与y 轴负半轴的夹角。图1显示了线极化波入射、极化角u=90°时入射波的设置情况,此时电场与z轴正方向平行,磁场平行于y轴负方向。整个计算网格空间用连接边界划分为总场区和散射场区,入射波距离机箱的前表面4 cm,散射场区的最外层为吸收边界,本文采用Mur二阶吸收边界来截断散射场。
　　图1 开有单缝的屏蔽腔的设置
　　本文研究的线极化波为振幅1 000 V/m,周期为0.5 ns的正弦波,频率为2 GHz。圆极化波则通过该线极化波与另外一束振幅相等,空间相互正交的余弦波与之叠加得到,合成波矢量随时间的旋转方向与传播方向k构成左旋关系,合成的圆极化波与线极化波的振幅相等。
　　1.2 计算结果比较
　　选择腔体内距腔体前表面1.5 cm的m1为观察点,其坐标为(2,15,33),与单缝的几何中心位于同一个水平面上,在0°~180°范围内,改变极化角度u,计算前述的线极化、圆极化波分别与图1中腔体的耦合。对线极化波来讲,改变u就是改变极化方向,对于圆极化波而言,改变u则意味着改变圆极化波开始旋转的初始极化方向。每次计算20 ns,分别记录每个极化角度对应的波入射时,耦合到观察点处的功率密度最大值,并将功率密度最大值与极化角度的变化关系绘于图2中。
　　从图2中可以发现,对于观察点m1,线极化波入射时,当极化角度u=0°和u=180°时,耦合到m1点的功率密度最大值最小,几乎为0;当线极化波的极化角度u=90°时,耦合到m1点的功率密度最大,为3 556 W/m2。规定电场方向与缝隙长边垂直时为垂直极化,与缝隙长边平行时为平行极化,那么可以得出结论:当入射波为垂直极化时耦合进腔体的能量最大,当入射波为平行极化时耦合进腔体的能量最小。付继伟等对长方形孔的垂直极化和平行极化两种情况做了研究[3],得出平行极化耦合进腔体的能量少,垂直极化耦合进腔体的能量最大,这与本文的结论基本一致。但付继伟预测,其他非平行极化和垂直极化的情况是这两者的线性组合,但从本文计算的结果来看,功率密度最大值随极化角度变化的全过程并非简单的线性变化,可以看到,在0°≤u≤20°,160°≤u≤180°以及90°附近的范围内变化较为平缓,其他区域变化接近于线性而非准线性,因此对线极化波与腔体的耦合中改变极化角度,耦合进腔体的能量的变化不能简单地概括为一个垂直极化和平行极化的线性组合。
　　
　　图2 点m1处功率密度最大值的极化比较(单缝)
　　从图2中还可以看出,初始极化角度u的改变对圆极化波耦合进该腔体的功率密度最大值的影响比对线极化波的影响要小很多,换句话说,圆极化波受初始极化方向的影响较线极化波小。图2还表明,当u在0°~180°范围内变化,圆极化波入射时,耦合到m1点的功率密度最大值除极化角度为90°附近以外,恒大于线极化波耦合到该点的功率密度最大值,说明圆极化波比同幅度的线极化波更容易通过孔缝耦合进腔体内部。
　　
　　2 线圆极化波与开有T形缝隙的腔体的耦合
　　
　　2.1 计算模型
　　为了减小线极化波由于极化方向的不同对耦合进腔体的场造成的差异,并且为更具一般性,创建如图3所示的带T形缝隙的腔体模型。在前面板上开有两条长方形缝隙ab,cd,这两条缝的长和宽都对应相等,分别为10.5 cm和1.5 cm。ab缝右侧离z轴距离6 cm,下侧离y轴24 cm;cd缝右侧离z轴10.5 cm,下侧离y轴15 cm。图3显示了线极化波入射,极化角u=90°时的设置情况。整个计算网格空间用连接边界划分为总场区和散射场区,入射波距离机箱的前表面4 cm,散射场区的最外层为吸收边界。本文采用Mur二阶吸收边界来截断散射场,入射波的设置与前文一致。
　　图3 开有T形缝隙的屏蔽腔的设置
　　2.2 计算结果比较
　　选择腔体内距腔体前表面1.5 cm的m1,m2为观察点。其中,m1坐标为(2,15,33),位于两缝隙的交界处;m2坐标为(2,11,29),与两条缝隙的距离相等。
　　在0°~180°范围内改变夹角u,计算如前所述线极化波和圆极化波分别与开T型缝隙的腔体的耦合。每次计算20 ns,分别记录每个极化角度对应的波入射时,耦合到观察点处的功率密度最大值,并将功率密度最大值与极化角度的变化关系绘于图4中。
　　图4 功率密度最大值的极化比较
　　从图4(a)中可以发现,当线极化波的极化角度u=0°和u=180°时,耦合到m1点的功率密度最小,为1 000 W/m2;当线极化波的极化角度u=90°时,此时耦合到m1点的功率密度最大,约为5 000 W/m2。其最大值与最小值之间的差异达到了4 000 W/m2,波动幅度很大。设置T形缝隙时,线极化波对应的曲线呈现的规律与单一水平缝隙ab时呈现的规律一致,说明耦合到该点的场强主要来源于水平缝隙ab。
　　分析图4(b)中线极化对应的曲线可以看到,该曲线的波动范围比图4(a)中线极化波对应的波动范围要
　　小很多,这主要是由于该点与两条缝隙具有相同的距
　　离,ab缝不再是影响该点场强的惟一通道,图中0°<u<30°和150°<u<180°对应的图形具有明显转折,就是由于cd缝的影响造成的。
　　观察图4中圆极化波耦合到该点的最大值变化情况可以看到,当入射波为圆极化时,耦合到m1点和m2点的功率密度最大值基本都位于一条直线上,与线极化波的结果相比较,波动幅度很小。再次说明圆极化波受极化初始方向的影响小,换句话说,圆极化波受缝隙摆放方向的影响很小。从图4还可以看出,当u在0°~180°范围内变化,圆极化波入射时耦合到两观察点的功率密度最大值恒大于线极化波耦合到该点的功率密度最大值,圆极化波比同幅度的线极化波更容易通过孔缝耦合进腔体内部。
　　
　　3 结 语
　　
　　通过以上的分析计算得到,线极化波与非对称性孔缝的腔体耦合时,耦合进腔体的能量与极化方向密切相关,极化方向的不同会对耦合进去的场值产生很大的影响。圆极化波与腔体的耦合与开始旋转的初始极化方向基本无关。和线极化得到的结果相比较,圆极化波耦合进机箱的能量更大,而且无论缝隙的形状如何,它都可以较好地耦合进腔体,加上目前圆极化波的广泛应用,在研究腔体耦合类问题时,必须重视圆极化波的分析。
　　
　　参考文献
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