李 彬 王振占 張升偉 王新彪 董 帥 謝 瑩

（1.中國科學(xué)院微波遙感重點實驗室 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190）

引 言

極化線柵（極化分離器），是一種用來對電磁波進(jìn)行極化分離的設(shè)備，具有寬頻帶、低損耗等特點，在微波、毫米波、亞毫米波以及遠(yuǎn)紅外波段應(yīng)用廣泛，例如：在中國科學(xué)院空間中心研制的FY-3微波溫濕度探測儀中，極化線柵是組成探測儀前端準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件，也正是由于極化線柵的應(yīng)用，使探測儀的外形尺寸減小了近一半；在星載和地面全極化微波輻射計定標(biāo)源中用于產(chǎn)生前3個stokes參數(shù)，是系統(tǒng)的核心部件，其性能直接決定了定標(biāo)基準(zhǔn)的精度.本文研制的極化分離線柵就是主要針對以上兩個方面的應(yīng)用需求而展開.

1 極化線柵的原理與設(shè)計

極化線柵主體由一系列等間距、垂直或水平排列的金屬絲構(gòu)成（如圖1所示）.在理想情況下，當(dāng)入射波的極化方向與線柵金屬絲的方向平行時，則入射波被線柵反射；反之，當(dāng)入射波的極化方向與線柵金屬絲的方向垂直時，則入射波可以完全透過極化線柵.極化線柵性能主要由金屬絲直徑a、間距g、波長λ三者之間的關(guān)系共同決定［1-3］.當(dāng)電磁波極化方向平行于極化線柵排列方向時，功率反射系數(shù)為

當(dāng)電磁波極化方向垂直于極化線柵排列方向時，功率反射系數(shù)為

圖1 應(yīng)用模具法生產(chǎn)的三種口面極化線柵

其誤差來源主要來自金屬絲直徑誤差、金屬絲間距誤差和口面平面度誤差.文獻(xiàn)［1］梳理了1962年以前的極化線柵的理論研究成果，文獻(xiàn)［3］中給出了選取不同a／λ與g／λ的值時，所對應(yīng)的反射系數(shù)與透射系數(shù)情況.

在極化線柵制造方法上，國外主要采用纏繞法.其主要思想是：利用勻速自旋運動與勻速直線運動來合成等距螺旋運動，從而形成一系列的等距直線陣列.通過控制勻速自旋運動與直線運動的速度就可以改變間距g；通過改變金屬絲張緊力與金屬外框尺寸就可以制作不同口面的極化線柵；結(jié)合現(xiàn)代電子信息與控制技術(shù)，該方法可以實現(xiàn)高精密、自動化、柔性化制造，特別適合應(yīng)用在亞毫米波及太赫茲以上頻段的極化線柵制造.文獻(xiàn)［4］介紹了一種線柵纏繞裝置可以用來制作金屬絲間距25μm＜g＜1.8 mm，有效口徑120mm的極化線柵.文獻(xiàn)［5-6］對纏繞式工藝進(jìn)行了改進(jìn)，可以實現(xiàn)更高頻段的應(yīng)用.目前的工藝水平可以制作金屬絲直徑d和間距g都在μm量級的極化線柵.對于應(yīng)用在10～200GHz頻段的極化線柵，制造工藝性要求相對較低.若采用纏繞法制作極化線柵，需要單獨設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試、維護(hù)線柵纏繞裝置，生產(chǎn)成本高，研制過程復(fù)雜，加工周期長.

提出了一種新的極化線柵研制方法——模具法.這種方法簡單實用、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低、批量生產(chǎn)性能一致性好，測試結(jié)果表明，應(yīng)用該方法制作的極化線柵，其機械性能和電性能指標(biāo)優(yōu)異，完全能夠滿足科研和工程實際應(yīng)用的需要.

極化線柵設(shè)計主要包括電性能設(shè)計和機械性能設(shè)計兩個方面.在電性能設(shè)計方面，由于極化線柵是平面周期性結(jié)構(gòu)，可以采用HFS軟件S11的Floquet端口實現(xiàn)極化線柵的仿真分析.建立了電磁波電場矢量E平行于極化線柵和垂直于極化線柵的HFSS仿真模型，將極化線柵放置在波導(dǎo)中，在波導(dǎo)的一端加上激勵，然后通過測量輸出端和激勵端的S參數(shù)，來仿真電磁波極化方向平行與極化線柵的反射特性和垂直與極化線柵的穿透特性.考慮到極化線柵具有低通濾波特性，選取了高于應(yīng)用頻段的中心頻率.由HFSS仿真結(jié)果可知，200GHz極化線柵要達(dá)到比較好的性能，其金屬絲的直徑一般要小于等于120μm，金屬絲間隔要小于等于360μm.本文選取了a＝100μm，g＝350μm的組合，占空比a／g＝0.29.金屬絲材料的選取綜合考慮了材料的電導(dǎo)率和力學(xué)性能，最終確定使用直徑為100μm的鉬絲作為金屬絲材料，其電阻率為54×10-9Ω，在10 GHz以上頻段趨膚深度小于1.2μm；直徑為100 μm的鉬絲還是線切割加工的常用材料，容易得到而且具有足夠的拉伸強度，能夠允許施加足夠的張緊力.金屬絲張緊力的施加根據(jù)材料機械特性與極化線柵口面平面度要求，再結(jié)合使用環(huán)境計算確定為4.6N，設(shè)計口面平面度為4μm／cm.考慮到極化線柵的使用環(huán)境溫度為-269℃～60℃，溫差很大，需要特別考慮外框材料和金屬鉬絲之間的熱膨脹系數(shù)，使金屬鉬絲和線柵外框在高低溫交變環(huán)境下能夠伸縮一致，不至于出現(xiàn)口面松弛和金屬絲被拉斷的情況.本設(shè)計選用了殷鋼（4J36）作為外框材料，它被廣泛應(yīng)用于需要避免熱膨脹導(dǎo)致尺寸、性狀變化的高精度高精密儀器.金屬絲與外框連接采用膠接的方式，結(jié)合使用環(huán)境要求，選用了DW-3聚氨酯改性環(huán)氧樹脂低溫結(jié)構(gòu)膠作為粘接材料.主要設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 極化線柵的主要設(shè)計參數(shù)

2 極化線柵的制作及測試

2.1 極化線柵的制作

在極化線柵的制造上主要存在以下技術(shù)難點：1）極化線柵口面平面度要求高；2）高頻電磁波極化線柵金屬絲纖細(xì)，難以安裝固定；3）金屬絲難以保證等間距分布；4）使用環(huán)境溫差大導(dǎo)致熱脹冷縮，很難保持口面平面度、張緊度.

為解決上述技術(shù)難點，開發(fā)了用于線柵制造的模具法.主要思想是用模具法生成所需要的金屬絲陣列；利用高精度數(shù)控線切割機床在模具上刻畫出足夠的等間距凹槽，凹槽的寬度為100＋100μm，既保證金屬絲能夠陷入凹槽內(nèi)形成間隙配合，但又不至于過分松動，金屬槽的間距為350±20μm，金屬槽的深度以低于極化線柵的外框為宜.該方法的好處是模具制造過程能夠結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)生產(chǎn)工藝和設(shè)備，將應(yīng)用線柵纏繞裝置的制造極化線柵的思想融入到模具制造過程中去，不必單獨開發(fā)線柵纏繞裝置.應(yīng)用模具法生產(chǎn)的極化線柵實物如圖1所示.

2.2 極化線柵的機械性能測試

測試了極化線柵金屬絲間距g和金屬絲直徑d，檢測儀器為萬能工具顯微鏡，其測試精度為1 μm，圖2所示為極化線柵在萬能工具顯微鏡上進(jìn)行檢測.由于口徑較大，金屬絲數(shù)目過多，隨機抽取了200根極化線柵金屬絲的間距g和直徑d進(jìn)行檢測.以10μm為間隔給出間距g的分布數(shù)，如圖3所示.

另外，測試了210mm×190mm口徑極化線柵的表面平整度，其表面起伏小于60μm，遠(yuǎn)小于10～200GHz波段的工作波長，由此引入的相位誤差可以忽略不計.

圖2 極化線柵在液氮槽中試驗

圖3 線柵間距g抽樣統(tǒng)計結(jié)果圖

2.3 極化線柵的環(huán)境試驗

為了使極化線柵能夠滿足未來星載環(huán)境的應(yīng)用需求，特別設(shè)計了定性的液氮實驗來對極化線柵的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行考核.具體實驗過程是：將外框材料為4J36，口面為350mm×40mm的極化線柵樣品放入充滿液氮的槽內(nèi)，使極化線柵完全被液氮冷卻，約1個小時后再將極化線柵取出，恢復(fù)到常溫狀態(tài)后檢查極化線柵物理性狀的變化情況，如此反復(fù)多次.經(jīng)過檢測，采用鉬絲作為金屬絲材料，4J36為外框材料，DW-3作為樹脂粘合劑的極化線柵在反復(fù)多次溫度循環(huán)中，金屬絲間距、張緊程度以及口面平面度都沒有明顯變化，表明該型極化線柵可以在-269℃～60℃大范圍溫度變化中使用.

2.4 極化線柵的電性測試

［7］中的極化線柵電測方法，在準(zhǔn)暗室環(huán)境下搭建了測試系統(tǒng)，通過測量T收／T發(fā)的比值來測量極化線柵透過系數(shù)τ0.測試系統(tǒng)主要由發(fā)射與接收模塊、極化線柵雙軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、光學(xué)平臺和帶擴(kuò)展模塊的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成.其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量分辨率為0.01dB，收發(fā)模塊為單一同極化配置.為了降低駐波以及反射等對測試結(jié)果的影響，對文獻(xiàn)［7］中的測試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將極化線柵及其旋轉(zhuǎn)機構(gòu)傾斜45°放置，并在兩側(cè)放置了吸波材料，如圖4所示.整個測試過程主要分2步進(jìn)行，在測試開始前首先在無線柵情況下，對微波通路進(jìn)行校準(zhǔn)；校準(zhǔn)完成后，將待測極化線柵安裝到線柵旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，進(jìn)行同極化和交叉極化透射系數(shù)測試.其中，交叉極化透過率同樣通過旋轉(zhuǎn)線柵直至金屬絲與水平夾角為90°的方式測量.

圖4 極化線柵45°放置電性測試

為了精細(xì)掌握極化線柵在實際應(yīng)用頻點的電氣性能，選擇了設(shè)計頻段中89、110、183GHz三個頻點進(jìn)行測試.在極化線柵90°放置電測系統(tǒng)中進(jìn)行了單點測試和周期測試，受測試條件限制在極化線柵45°放置電性測試系統(tǒng)中進(jìn)行了單點測試，主要目的是對兩種測試方法進(jìn)行比對.

89GHz同極化單點透射率測試結(jié)果如圖5所示.

110GHz同極化單點透射率測試結(jié)果如圖6所示.

圖5 極化線柵89Hz同極化透過率單點測試

圖6 極化線柵110Hz同極化透過率單點測試

對183GHz頻點進(jìn)行了驗證性測試.183GHz同極化單點透射率測試結(jié)果如圖7所示.

89GHz和110GHz頻點周期測試實測值與理論值的比對結(jié)果如圖8和圖9所示.

圖7 極化線柵183Hz同極化透過率單點測試

圖8 89GHz周期測試實測值與理論值比對

圖9 110GHz周期測試實測值與理論值比對

3 測試結(jié)果分析

1）在環(huán)境適應(yīng)性方面：液氮實驗表明，外框為殷鋼材料的極化線柵環(huán)境適應(yīng)性更強，可在-269℃～60℃使用，加之極化線柵在星載應(yīng)用中一般都會進(jìn)行主動或被動溫控保護(hù)，因此模具法制作的極化線柵，完全可以應(yīng)用在FY-3微波溫濕探測儀所在的熱力學(xué)環(huán)境；通過將極化線柵成品放置一年期間的觀察，金屬絲并沒有出現(xiàn)松脫等物理特性變化情況，表明極化線柵可以在常溫環(huán)境下使用；

2）在機械性能方面：選用的工業(yè)級金屬鉬絲直徑d均值為98.7μm，方差為2.65μm；金屬絲間距g均值為350.75μm，標(biāo)準(zhǔn)差為17.86μm；從圖3所示金屬絲間距的分布數(shù)來看，間距分布近似滿足高斯分布，證明了模具法的加工精度比較高；通過計算選取的4.6N拉緊力和外框機械加工精度，使得極化線柵口面平面度優(yōu)于4μm／cm；金屬線柵間距g的標(biāo)準(zhǔn)差σ與間距g均值的比值為0.051，表明極化線柵具有良好的均勻性.

3）在電性能方面：

①在89GHz頻點：極化線柵90°放置時的同極化透過率的平均值為-0.021dB（0.995 1），標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 6dB；交叉極化透過率的平均值為-23.372dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 4dB.極化線柵45°放置時，同極化透過率的平均值為-0.026dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 2dB；周期測試曲線與理論曲線的相關(guān)系數(shù)為0.997 6.

②在110GHz頻點：極化線柵90°放置時的同極化透過率的平均值為-0.022dB（0.994 9），標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 3dB；交叉極化透過率的平均值為-22.065dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.020 4dB；極化線柵45°放置時同極化透過率的平均值為-0.026dB，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 8dB；周期測試曲線與理論曲線的相關(guān)系數(shù)為0.998 9；

③在183GHz頻點：極化線柵90°放置時的同極化透過率的平均值為-0.044dB（0.989 9），標(biāo)準(zhǔn)差為0.011 4dB.

從上述①和②的測試結(jié)果來看，極化線柵45°放置時比90°放置時的同極化透過率低是因為45°放置減小了測試系統(tǒng)中對接收天線的反射，因此極化線柵45°斜入射放置的結(jié)果更加接近真實值.周期測試曲線與理論曲線存在差值主要是因為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角誤差較大以及系統(tǒng)中存在的反射和駐波所致.

從極化線柵電性測試環(huán)節(jié)上看，目前普遍采用的測試方法只能算作是摸底測試，測量系統(tǒng)的不確定度雖然可以滿足FY-3微波溫濕度探測儀準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，但不能達(dá)到全極化微波輻射定標(biāo)源作為輻射定標(biāo)基準(zhǔn)的要求，主要存在以下問題：受測試條件限制，測試系統(tǒng)搭建不夠精確，測試場地不夠理想，系統(tǒng)中引入反射和駐波影響，難以消除；測試設(shè)備不確定度較大，只有0.01dB.上述問題不屬于本文主要內(nèi)容，這里不展開論述，但今后需要針對測試問題專門深入研究，繼續(xù)改進(jìn).

4 結(jié) 論

提出了用于制作自立式極化線柵的模具法，設(shè)計開發(fā)了極化線柵制造裝置，編制出了完整的線柵制造工藝，通過HFSS仿真分析確定了線柵電性能設(shè)計參數(shù)，應(yīng)用模具法成功研制出了同系列（金屬鉬絲直徑100μm，間距350μm）、多種口面規(guī)格（350mm×40mm、210mm×190mm、350mm×350mm）的極化線柵.對該型極化線柵進(jìn)行了覆蓋產(chǎn)品研制全過程的實驗和測試，包括：環(huán)境試驗、機械性能測試，在89、110GHz和183GHz三個頻點對極化線柵進(jìn)行了電氣性能測試，分析了測試結(jié)果.測試果表明，應(yīng)用模具法制作的極化線柵具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、機械性能和電氣性能，可以滿足FY-3溫濕度探測儀、全極化微波輻射計定標(biāo)源以及地基微波輻射計等的應(yīng)用需求.

與其他方法相比，本方法具有制作工藝與流程簡易、生產(chǎn)和維護(hù)成本低、生產(chǎn)周期短、具有一定的生產(chǎn)柔性，產(chǎn)品具有較高的加工精度和優(yōu)良的電氣性能.應(yīng)用本方法可以制作用于常溫環(huán)境和空間環(huán)境的200GHz頻段以下，凈口面在?500mm口徑以下的極化線柵，同時也為微波／毫米波頻段極化線柵的國產(chǎn)化開辟了新的路徑.

致謝：感謝中國航天科技集團(tuán)518研究所在極化線柵機械性能測試中給予的幫助；感謝中國航天科工集團(tuán)203所在極化線柵電氣性能測試上給予的幫助與支持.

參考文獻(xiàn)

［1］LARSEN T.A survey of the theory of wire grids［J］.IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1962，10（3）：191-201.

［2］GOLDSMITH P F.Quasi-optical Systems：Gaussian Beam Quasi-optical Propagation and Applications［M］.New York：Wiley-IEEE Press，1998：192-193.

［3］CHAMBERS W G，COSTLEY A E，PARKER T J.Characteristic curves for the spectroscopic performance of free-standing wire grids at millimeter and sub-millimeter wavelengths［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，1988，9（2）：157-172.

［4］COSTLEY A E，HURSEY K H，NEILL G F，et al.Free-standing fine wire grids：their manufacture，performance and use at millimeter and sub-millimeter wavelengths［J］.Journal of the Optical Society of America，1977，67（7）：979-981.

［5］EICHHORN W L，MAGNER T J.Large aperture，freestanding wire grid polarizers for the far-infrared：fabrication，characterization，and testing［J］.Optical engineering，1986，25（4）：541-544.

［6］SHAPIRO J B，BLOEMH OF E.Fabrication of wiregrid polarizers and dependence of sub-millimeter wave optical performance on pitch uniformity［J］.International Journal of Infrared and MillimeterWaves，1990，11（8）：973-980.

［7］LAHTINEN J，HALLIKAINEN M.Fabrication and characterization of large free-standing polarizer grids for millimeter waves［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，1999，20（1）：3-20.

［8］VOELLINER G M，BENNETT C，CHUSS D T，et al.A large free-standing wire grid for microwave variable-delay polarization on modulation［C］／／Society of Photo-optical Instrumentation Engineers（SPIE）Conference series，2008：1-12.