線極化波和圓極化波與腔體的耦合比較

摘 要:線極化波與腔體的耦合效果受腔體上窄縫方向的影響很大，而圓極化波與腔體的耦合對窄縫方向的依賴比較小。利用時域有限差分法，采用相同振幅的線極化波和圓極化波入射，分別計算它們與開有單縫和T形縫隙的屏蔽腔體的孔縫耦合效應。比較兩種極化形式的波入射時，耦合到腔體內部功率密度最大值隨極化方向的變化關系，從而得出結論:同幅度的圓極化波比線極化波更容易耦合進入腔體，并不易受縫隙形狀影響。

關鍵詞:時域有限差分;圓極化;線極化;孔縫耦合

中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A

文章編號: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

在將來的電子戰中，通過發射強電磁脈沖對電子設備尤其是對計算機系統進行干擾或破壞可能成為一種主要手段。電磁干擾及其電磁兼容問題早已成為人們研究的熱點[1-8]。屏蔽腔是人們廣泛采用的保護電子設備的一種有效方法，但為了電纜的連接，器件的散熱通風或其他的各種用途，又不得不在屏蔽腔上開一些孔縫或孔陣，電磁波就得以通過這些孔縫耦合進入腔體，對電子器件造成不同程度的損害。

目前，對開有單孔或簡單孔陣的屏蔽腔的研究已經有很多，但他們大多都是基于線極化波來進行研究的，如采用快速上升前沿脈沖[3]，超寬帶電磁脈沖[4，5]，調制高斯脈沖 [6，7]，雙指數平面脈沖波[8]等。在對縫隙的設置上除了研究長方形縫隙以外，還研究了計算機機箱的縫隙等。研究表明，除了正方形和圓形類結構對稱型孔洞外，入射波的極化方向對耦合進腔體的能量有明顯的影響。以長方形窄縫為例，當極化方向垂直于窄縫時，耦合進腔體的場強較大，對腔體內元器件造成損害的可能性也越大;當極化方向平行于窄縫時，耦合進腔體的場強非常小;其他極化方向耦合進去的能量介于這兩者之間[3]。如果采用線極化波作為入射源，除非能預先知道電子設備的縫隙方向，否則都不能使電磁波高效的耦合進入機箱。

另一方面，波的極化、振幅、相位都是表示電磁場基本特性的物理量，因此極化也可以用來傳遞信息。隨著衛星通信、遙控、遙測技術的發展，雷達應用范圍的擴大以及對高速目標在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測量的需要，圓極化波的應用受到了人們的高度重視，加上圓極化波在傳播中能抑制雨霧干擾，并且能抗多徑效應，目前已廣泛用作信號源，如圓極化天線、圓極化廣播、圓極化衛星測控天線、圓極化器等。

本文采用時域有限差分方法進行數值仿真，分析了振幅相同的圓極化波和線極化波分別與開有單縫和T形縫隙的腔體耦合情況，研究了其對應的功率密度最大值隨極化角度的變化規律，得出了較有參考價值的結論。

1 線圓極化波與開有單縫的腔體的耦合

1.1 計算模型及入射波的設置

研究圖1所示的理想導體構成的矩形空腔屏蔽體，厚度不計，坐標原點o選在面對來波方向的正面看去的右下角，腔體尺寸為45 cm×22.5 cm×40.5 cm，所占的空間網格數目為60×30×54。在前面板的正中央開一條長10.5 cm，寬1.5 cm的矩形縫隙，入射波沿x軸正方向垂直入射到該腔體的前面板上，k為傳播方向，u為極化角度，對正入射情況而言，u為電場方向與y 軸負半軸的夾角。圖1顯示了線極化波入射、極化角u=90°時入射波的設置情況，此時電場與z軸正方向平行，磁場平行于y軸負方向。整個計算網格空間用連接邊界劃分為總場區和散射場區，入射波距離機箱的前表面4 cm，散射場區的最外層為吸收邊界，本文采用Mur二階吸收邊界來截斷散射場。

圖1 開有單縫的屏蔽腔的設置

本文研究的線極化波為振幅1 000 V/m，周期為0.5 ns的正弦波，頻率為2 GHz。圓極化波則通過該線極化波與另外一束振幅相等，空間相互正交的余弦波與之疊加得到，合成波矢量隨時間的旋轉方向與傳播方向k構成左旋關系，合成的圓極化波與線極化波的振幅相等。

1.2 計算結果比較

選擇腔體內距腔體前表面1.5 cm的m1為觀察點，其坐標為(2，15，33)，與單縫的幾何中心位于同一個水平面上，在0°~180°范圍內，改變極化角度u，計算前述的線極化、圓極化波分別與圖1中腔體的耦合。對線極化波來講，改變u就是改變極化方向，對于圓極化波而言，改變u則意味著改變圓極化波開始旋轉的初始極化方向。每次計算20 ns，分別記錄每個極化角度對應的波入射時，耦合到觀察點處的功率密度最大值，并將功率密度最大值與極化角度的變化關系繪于圖2中。

從圖2中可以發現，對于觀察點m1，線極化波入射時，當極化角度u=0°和u=180°時，耦合到m1點的功率密度最大值最小，幾乎為0;當線極化波的極化角度u=90°時，耦合到m1點的功率密度最大，為3 556 W/m2。規定電場方向與縫隙長邊垂直時為垂直極化，與縫隙長邊平行時為平行極化，那么可以得出結論:當入射波為垂直極化時耦合進腔體的能量最大，當入射波為平行極化時耦合進腔體的能量最小。付繼偉等對長方形孔的垂直極化和平行極化兩種情況做了研究[3]，得出平行極化耦合進腔體的能量少，垂直極化耦合進腔體的能量最大，這與本文的結論基本一致。但付繼偉預測，其他非平行極化和垂直極化的情況是這兩者的線性組合，但從本文計算的結果來看，功率密度最大值隨極化角度變化的全過程并非簡單的線性變化，可以看到，在0°≤u≤20°，160°≤u≤180°以及90°附近的范圍內變化較為平緩，其他區域變化接近于線性而非準線性，因此對線極化波與腔體的耦合中改變極化角度，耦合進腔體的能量的變化不能簡單地概括為一個垂直極化和平行極化的線性組合。

圖2 點m1處功率密度最大值的極化比較(單縫)

從圖2中還可以看出，初始極化角度u的改變對圓極化波耦合進該腔體的功率密度最大值的影響比對線極化波的影響要小很多，換句話說，圓極化波受初始極化方向的影響較線極化波小。圖2還表明，當u在0°~180°范圍內變化，圓極化波入射時，耦合到m1點的功率密度最大值除極化角度為90°附近以外，恒大于線極化波耦合到該點的功率密度最大值，說明圓極化波比同幅度的線極化波更容易通過孔縫耦合進腔體內部。

2 線圓極化波與開有T形縫隙的腔體的耦合

2.1 計算模型

為了減小線極化波由于極化方向的不同對耦合進腔體的場造成的差異，并且為更具一般性，創建如圖3所示的帶T形縫隙的腔體模型。在前面板上開有兩條長方形縫隙ab，cd，這兩條縫的長和寬都對應相等，分別為10.5 cm和1.5 cm。ab縫右側離z軸距離6 cm，下側離y軸24 cm;cd縫右側離z軸10.5 cm，下側離y軸15 cm。圖3顯示了線極化波入射，極化角u=90°時的設置情況。整個計算網格空間用連接邊界劃分為總場區和散射場區，入射波距離機箱的前表面4 cm，散射場區的最外層為吸收邊界。本文采用Mur二階吸收邊界來截斷散射場，入射波的設置與前文一致。

圖3 開有T形縫隙的屏蔽腔的設置

2.2 計算結果比較

選擇腔體內距腔體前表面1.5 cm的m1，m2為觀察點。其中，m1坐標為(2，15，33)，位于兩縫隙的交界處;m2坐標為(2，11，29)，與兩條縫隙的距離相等。

在0°~180°范圍內改變夾角u，計算如前所述線極化波和圓極化波分別與開T型縫隙的腔體的耦合。每次計算20 ns，分別記錄每個極化角度對應的波入射時，耦合到觀察點處的功率密度最大值，并將功率密度最大值與極化角度的變化關系繪于圖4中。

圖4 功率密度最大值的極化比較

從圖4(a)中可以發現，當線極化波的極化角度u=0°和u=180°時，耦合到m1點的功率密度最小，為1 000 W/m2;當線極化波的極化角度u=90°時，此時耦合到m1點的功率密度最大，約為5 000 W/m2。其最大值與最小值之間的差異達到了4 000 W/m2，波動幅度很大。設置T形縫隙時，線極化波對應的曲線呈現的規律與單一水平縫隙ab時呈現的規律一致，說明耦合到該點的場強主要來源于水平縫隙ab。

分析圖4(b)中線極化對應的曲線可以看到，該曲線的波動范圍比圖4(a)中線極化波對應的波動范圍要

小很多，這主要是由于該點與兩條縫隙具有相同的距

離，ab縫不再是影響該點場強的惟一通道，圖中0°<u<30°和150°<u<180°對應的圖形具有明顯轉折，就是由于cd縫的影響造成的。

觀察圖4中圓極化波耦合到該點的最大值變化情況可以看到，當入射波為圓極化時，耦合到m1點和m2點的功率密度最大值基本都位于一條直線上，與線極化波的結果相比較，波動幅度很小。再次說明圓極化波受極化初始方向的影響小，換句話說，圓極化波受縫隙擺放方向的影響很小。從圖4還可以看出，當u在0°~180°范圍內變化，圓極化波入射時耦合到兩觀察點的功率密度最大值恒大于線極化波耦合到該點的功率密度最大值，圓極化波比同幅度的線極化波更容易通過孔縫耦合進腔體內部。

3 結 語

通過以上的分析計算得到，線極化波與非對稱性孔縫的腔體耦合時，耦合進腔體的能量與極化方向密切相關，極化方向的不同會對耦合進去的場值產生很大的影響。圓極化波與腔體的耦合與開始旋轉的初始極化方向基本無關。和線極化得到的結果相比較，圓極化波耦合進機箱的能量更大，而且無論縫隙的形狀如何，它都可以較好地耦合進腔體，加上目前圓極化波的廣泛應用，在研究腔體耦合類問題時，必須重視圓極化波的分析。

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