一种非等距排列的极化线栅装置的制作方法

本发明涉及微波(毫米波、太赫兹)遥感应用领域，具体涉及一种非等距排列的极化线栅装置。

背景技术：

微波(包括毫米波和太赫兹)遥感可全天时、全天候地提供全球大气温湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，还包括海洋表面温度、海洋风场、土壤湿度等资料，在大气探测及海洋及陆地观测中具有重要地位。在实际遥感应用中，需要利用极化分离器把微波(毫米波、太赫兹)辐射分离为两个相互垂直的极化方向，从而得到更多的遥感信息。极化线栅作为一种准光极化分离器，被广泛使用；在我国“高分一号”卫星、风云三号“微波湿度计”及国家空间中心微波遥感部研制的“全极化微波辐射计定标源”等方面有重要应用。

极化线栅是一种准光器件，能将非极化电磁波转变成相互垂直的两种线极化分量。如图1所示，常见的极化线栅都采用等距排列方式。

极化线栅有两个最核心的参数：插入损耗和消光比。消光比表示垂直极化分量所占比例，消光比越高，表明极化线栅的极化分离能力越强。极化线栅的金属填充因子代表极化线栅的疏密程度。填充因子为1时，极化线栅为一完整金属板，填充因子为0时极化线栅为空气墙。填充因子一般取值在0-1之间，这样极化线栅就是金属和空气间隔分布。

极化线栅的插入损耗同频率以及填充因子有关。极化线栅的填充因子对不同频率及极化方式的电磁波的传输特性均有影响。极化方向垂直于线栅金属排列方向的电磁波的传输损耗在填充因子小于98％时基本平坦不变，但是98％之后急剧增大。作为对比，极化方向平行于线栅排列的电磁波的传输损耗随填充因子的增加而稳定增加。消光比是指极化方向垂直于线栅排列方向的电磁波的传输损耗与极化方向平行于线栅排列方向的电磁波传输损耗之间的比值。消光比会随着极化线栅的填充因子的增加而增加，在填充因子为90％到100％之间时可达到最大值，约为60dB，过了最高点后，极化方向垂直于线栅排列方向的电磁波的传输损耗和消光比同时急剧降低。

因此填充因子对极化线栅的两个核心参数都有很重要的影响。随着频率的提高，要达到高的填充因子，就需要减小线栅内相邻金属丝(条)之间的间距，在频率很高时(亚毫米波/太赫兹频段)，对极化线栅的加工精度及加工工艺提出了很高的要求。

传统极化线栅的等距排列方式在获得较高填充因子的时候，金属部分所占的比例较大，极化方向垂直于线栅排列方向的电磁波的穿透率低；而且金属丝之间的间隔很窄，加大了加工难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统极化线栅的等距排列方式存在的上述缺陷，通过金属丝的非等距排列的设计，为准光极化分离器提供了一种新的极化线栅，该极化线栅通过合理的将金属丝排列方式分为窄间距簇，窄间距簇之间又有宽间距分离；这种窄、宽间距的配合使用，改变了传统极化线栅的等间距排列方式，跟传统等间距排列的极化线栅相比，在相同插入损耗的情况下，具有更高的消光比。在相同消光比的情况下，又具有更低的插入损耗。同时，能够在实际填充因子只有48％左右的情况下，得到等效填充因子80％以上，在高频区域，能够适当降低加工难度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非等距排列的极化线栅装置，所述装置包括：若干个非等距排列的金属丝和边框；若干个金属丝通过竖直排列的方式镶嵌在边框内；非等距排列的金属丝是指金属丝之间的距离不同，距离有两种：宽间距和窄间距，通过设定宽间距和窄间距的值、窄间距和宽间距的数量以及金属丝的直径来调整优化极化线栅的填充因子，插入损耗以及消光比这些核心参数。

上述技术方案中，所述通过设定宽间距和窄间距的值、窄间距和宽间距的数量以及金属丝的直径来调整优化极化线栅的填充因子，插入损耗以及消光比这些核心参数的具体过程为：首先根据极化线栅的填充因子设定窄间距数量和宽间距数量比；然后设定宽间距、窄间距以及金属丝直径的取值范围；在取值范围为内，遍历宽间距、窄间距以及金属丝的直径，根据得到的极化线栅的填充因子，插入损耗以及消光比，从而确定宽间距、窄间距以及金属丝直径的最优取值。

上述技术方案中，如果采用印制板打印技术，所述装置还包括：印制板基板。

本发明的优势在于：

1、本发明的非等距排列的极化线栅装置，由非等距排列的金属丝及边框构成，通过调整金属丝的粗细，设定宽间距及窄间距大小以及宽窄间距分布特性来在实际填充因子较低的情况下获得较高的等效填充因子，从而在满足插入损耗的要求下实现较高的消光比，提供极化线栅的极化分离能力；同时，在相同消光比的情况下，采用非等距排列的极化线栅的插入损耗要大大低于传统等距排列的极化线栅，在频率较高时尤为明显；

2、本发明的装置具有实际填充因子低，等效填充因子高，插入损耗低，消光比高，对加工工艺要求较低等特点；

3、本发明的极化线栅装置可应用在星载、地基辐射计系统中。也可应用在各种辐射计变温源装置中，包括全极化辐射计定标源；

4、本发明的极化线栅装置可以用于室外及实验室环境、热真空环境和卫星平台。

附图说明

图1为现有的等距排列极化线栅示意图；

图2为本发明的非等距排列极化线栅示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种通过改变极化线栅的排列分布方式来提高线栅的等效填充因子。将传统极化线栅的等距排列方式改变为非等距排列方式，用实际低填充因子的非等距排列线栅实现同高填充因子等距排列极化线栅相同的技术参数。从而大大降低高频极化线栅对工艺的要求，能够更好的设计与加工出满足亚毫米波/太赫兹频段使用的极化线栅。

下面结合附图对本发明的非等距排列的极化线栅进行详细的说明。

如图2所示，一种非等距排列的极化线栅装置，所述装置包括：若干个非等距排列的金属丝和边框；所述边框为圆形，若干个金属丝通过竖直排列的方式镶嵌在边框内；非等距排列的金属丝是指金属丝之间的距离不同，距离有两种：宽间距和窄间距，通过设定宽间距和窄间距的值、设定窄间距和宽间距的数量，以及设定金属丝的直径来调整优化极化线栅的填充因子，插入损耗以及消光比这些核心参数；具体过程为：首先根据极化线栅的填充因子设定窄间距数量和宽间距数量比；然后设定宽间距、窄间距以及金属丝直径的取值范围；在取值范围为内，遍历宽间距、窄间距以及金属丝的直径，根据得到的极化线栅的填充因子，插入损耗以及消光比，从而确定宽间距、窄间距以及金属丝直径的最优取值，由此制作出非等距排列的极化线栅装置。

如果采用印制板打印技术，所述装置还包括：印制板基板。

极化线栅的自谐振频率f₀可以用集总参数来描述：

其中L_s是片状电感、C_g是间隙电容。

片状电感跟极化线栅的填充因子之间的关系如下：

ff是填充因子，l是极化线栅周期，μ₀是自由空间的介电常数，σ是金属电导率，f为频率；L_s的单位为H/m₂。由上式可知：片状电感和填充因子呈正比。这在物理上也是合理的，因为增加填充因子意味着增加金属部分所占比例，从而增加感应系数。

极化线栅的间隙电容如下：(单位F/m²)

其中，ε_e为有效介电常数，Z₀为金属丝的特征阻抗，c为真空中的光速，l为线栅周期。为了确定上式中的有效介电常数ε_e，极化线栅中的金属丝可看做微带传输线。基于微带线理论，有效介电常数可看作为等价替换微带线周围的空气和衬底的均匀介质。有效介电常数跟频率有关，间隙电容随填充因子及频率单调递增。物理上也具有合理性，因为填充因子的增加会减小金属丝之间的间距从而增加了间隙电容(同平行板电容类似)。

结合片状电感与间隙电容的计算并利用式(1)可以得到极化线栅的自谐振频率。自谐振频率随填充因子单调递减，这同样也具有物理意义。因为随着填充因子的提高，片状电感及间隙电容同时提高。自谐振频率在低填充因子时很高，在ff＝2.5％时能达到2000GHz以上。最开始，自谐振频率在填充因子很低并增加时迅速降低。当填充因子变大后，自谐振频率随填充因子变化缓慢，并在填充因子很高的时候趋于约125GHz不变。

本发明采用实际低的填充因子的极化线栅达到较高的等效填充因子，能够使实际48％金属填充因子的极化线栅达到等效填充因子为80％；实际30％金属填充因子的极化线栅达到等效填充因子为50％。在实际金属填充因子只有48％(30％)的时候，其消光比能够达到均匀排列时80％(50％)填充因子时相当的水平，特别是在频率较高的情况时。

本发明提供的非等距排列的极化线栅，能够实现高等效填充因子的设计；相比传统的均匀排列极化线栅含有更少的金属部分，但是对于极化方向垂直于线栅排列方向的电磁波具有更好的穿透特性，特别是高频情况时。同时，极化方向平行于线栅排列方向的传输抑制特性虽然略低于真实的高填充因子时的情况，但是也要优于实际低填充因子的均匀排列极化线栅。但是，通过非等距排列实现高等效填充因子的设计所获得的消光比仍然很高，跟高填充因子的均匀排列的情况相当。因此，采用非等距排列获得高等效填充因子的设计能够满足高穿透率的要求下实现高的消光比的应用场景。