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

背景技術：

微波(包括毫米波和太赫茲)遙感可全天時、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、海洋風場、土壤濕度等資料，在大氣探測及海洋及陸地觀測中具有重要地位。在實際遙感應用中，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光極化分離器，被廣泛使用；在我國“高分一號”衛(wèi)星、風云三號“微波濕度計”及國家空間中心微波遙感部研制的“全極化微波輻射計定標源”等方面有重要應用。

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

極化線柵有兩個最核心的參數(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。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，極化線柵為一完整金屬板，填充因子為0時極化線柵為空氣墻。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。極化線柵的填充因子對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％時基本平坦不變，但是98％之后急劇增大。作為對比，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％之間時可達到最大值，約為60dB，過了最高點后，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急劇降低。

因此填充因子對極化線柵的兩個核心參數(shù)都有很重要的影響。隨著頻率的提高，要達到高的填充因子，就需要減小線柵內相鄰金屬絲(條)之間的間距，在頻率很高時(亞毫米波/太赫茲頻段)，對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。

技術實現(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，通過金屬絲的非等距排列的設計，為準光極化分離器提供了一種新的極化線柵，該極化線柵通過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，能夠在實際填充因子只有48％左右的情況下，得到等效填充因子80％以上，在高頻區(qū)域，能夠適當降低加工難度。

為了實現(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：若干個非等距排列的金屬絲和邊框；若干個金屬絲通過豎直排列的方式鑲嵌在邊框內；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，通過設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調整優(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)。

上述技術方案中，所述通過設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調整優(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)的具體過程為：首先根據(jù)極化線柵的填充因子設定窄間距數(shù)量和寬間距數(shù)量比；然后設定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的取值范圍；在取值范圍為內，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。

上述技術方案中，如果采用印制板打印技術，所述裝置還包括：印制板基板。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

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成，通過調整金屬絲的粗細，設定寬間距及窄間距大小以及寬窄間距分布特性來在實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現(xiàn)較高的消光比，提供極化線柵的極化分離能力；同時，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，在頻率較高時尤為明顯；

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

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

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

附圖說明

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。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種通過改變極化線柵的排列分布方式來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?，用實際低填充因子的非等距排列線柵實現(xiàn)同高填充因子等距排列極化線柵相同的技術參數(shù)。從而大大降低高頻極化線柵對工藝的要求，能夠更好的設計與加工出滿足亞毫米波/太赫茲頻段使用的極化線柵。

下面結合附圖對本發(fā)明的非等距排列的極化線柵進行詳細的說明。

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：若干個非等距排列的金屬絲和邊框；所述邊框為圓形，若干個金屬絲通過豎直排列的方式鑲嵌在邊框內；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，通過設定寬間距和窄間距的值、設定窄間距和寬間距的數(shù)量，以及設定金屬絲的直徑來調整優(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)；具體過程為：首先根據(jù)極化線柵的填充因子設定窄間距數(shù)量和寬間距數(shù)量比；然后設定寬間距、窄間距以及金屬絲直徑的取值范圍；在取值范圍為內，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，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，因為增加填充因子意味著增加金屬部分所占比例，從而增加感應系數(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)可看作為等價替換微帶線周圍的空氣和襯底的均勻介質。有效介電常數(shù)跟頻率有關，間隙電容隨填充因子及頻率單調遞增。物理上也具有合理性，因為填充因子的增加會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)。

結合片狀電感與間隙電容的計算并利用式(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遞減，這同樣也具有物理意義。因為隨著填充因子的提高，片狀電感及間隙電容同時提高。自諧振頻率在低填充因子時很高，在ff＝2.5％時能達到2000GHz以上。最開始，自諧振頻率在填充因子很低并增加時迅速降低。當填充因子變大后，自諧振頻率隨填充因子變化緩慢，并在填充因子很高的時候趨于約125GHz不變。

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

本發(fā)明提供的非等距排列的極化線柵，能夠實現(xiàn)高等效填充因子的設計；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。同時，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的高填充因子時的情況，但是也要優(yōu)于實際低填充因子的均勻排列極化線柵。但是，通過非等距排列實現(xiàn)高等效填充因子的設計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。因此，采用非等距排列獲得高等效填充因子的設計能夠滿足高穿透率的要求下實現(xiàn)高的消光比的應用場景。