刘双平、陈若霖同学“近物I”期末汇报讲稿.pdf

金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 . . 刘双平(06300190061) 陈若霖(06300190023) 指导老师：乐永康 2009年6月17日 1 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 . . .. . 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 电磁波的偏振 金属栅网的偏振性 . 电磁波的偏振 空间的正交向量为(ϵ1 , ϵ2 , n)，两束平面波： E1 = ϵ1 E1 eik·x−iωt E2 = ϵ2 E2 eik·x−iωt 两者可合成为： E(x, t) = (ϵ1 E1 + ϵ2 E2 )eik·x−iωt 如果复振幅E1 和E2 存在相位差： 当其为零时合成为线偏振波 其不为零时一般合成为椭圆偏振波 2 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 电磁波的偏振 金属栅网的偏振性 . 金属栅网的基本结构 微波到中红外波段最好的偏 振器件：无支撑金属栅网。 本质上在于介质分布的各向 异性。 基本结构：线度远小于电磁 波波长的周期性导体柱。 3 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 电磁波的偏振 金属栅网的偏振性 . 金属栅网偏振的定性分析 电矢量平行于网线(TE波) 4 复旦大学物理系 电矢量垂直于网线(TM波) 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 影响的参数 金属选择：铜，导电性能好，常见材料 截面形状：矩形&圆形，方便加工 周期 周期单元的线度 5 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 严格矢量耦合波理论 ... 由Maxwell方程组求得入射区域及透射区域电磁场的表达式， 1 以Rayleigh展开的形式直接给出。 ... 将栅网区域内的介电常数及电磁场用Fourier级数展开，并 2 由Maxwell方程组推导出耦合波方程组。 ... 在不同区域边界面上运用电磁场的边界条件，通过一定的数 3 学方法求得各级衍射波的振幅及其衍射效率。 x z θ n1 d T 6 复旦大学物理系 ngr nrd n2 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 从矩形到任意截面形状的金属栅网 x z θ 矩形金属栅网介电常数的Fourier展开： ε(x) = ε(x + T ) = ∞ ∑ n1 ngr d εn e nrd j2πn/T n2 T n=−∞  2  nrd e + n2gr (1 − e) εn =  (n2 − n2gr ) sin πen rd πn n=0 x n ̸= 0 z θ 任意形状的金属栅网的求解：多层近似 法 d 1 2 3 ··· ··· M T 7 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 金属栅网截面的选择 TE波 1 矩形深度的影响 Circle TE Reflectivity Circle TE Transmittance 0.9 Square TE Reflectivity Square TE Transmittance 0.8 1 Diffraction Efficiency 0.7 Square TE Reflection 0.8 Square TE Transmission 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.2 Diffraction Efficiency 0.3 0.2 0.1 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Period / m 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 1 0.8 TM波 0.6 1 Square TM Transmission Circle TM Transmittance 0.9 Square TM Reflectivity 0.2 Square TM Transmittance 0.8 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Depth / m 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Period 0.5 0.6 0.7 . 结论 .. 选择圆形截面！ . .. 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 . . . Diffraction Efficiency 0.7 8 Square TM Reflection 0.4 Circle TM Reflectivity 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 金属栅网半径与周期的选择 金属栅网的截面半径 金属栅网的周期 1 1.4 1 0.9 0.9 1.4 1.2 0.8 0.8 1 Diffraction Efficiency Diffraction Efficiency 1.2 0.7 0.8 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.2 0.7 1 0.8 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.2 0 0.3 0.3 20 0 0 0.2 15 5 Frequency / Hz 15 20 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Diameter / m 0.2 Frequency / Hz 5 4.5 0.005 10 0.1 10 0.1 5 0.01 0 −3 x 10 Period / m 0.015 表: 频率为18GHz时不同周期不同直径金属网栅的电磁特性 Diameter/m 0.001 0.001 0.0008 0.0005 0.0005 9 Period/m 0.005 0.002 0.0010 0.0020 0.0010 TE Transmittance 0.0059 3.623 × 10−5 1.634 × 10−7 5.623 × 10−4 9.239 × 10−6 复旦大学物理系 TM Transmittance 1.000 1.000 0.9998 1.000 1.000 η 169.9 2.760 × 104 6.119 × 106 1.779 × 103 1.083 × 105 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . COMSOL模拟结果 我们自己制作的偏振片：直 径0.0005m，周期0.001m 10 复旦大学物理系 另外制作的偏振片：直 径0.001m，周期0.005m 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 影响的参数 耦合波理论 COMSOL模拟 我们的选择 . 我们的选择 . 最终选择方案 .. 截面为圆形，且越细密越好 . 直径为0.0005m 周期为0.001m . Diffraction Efficiency 1.4 TE Transmittance TM Transmittance 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 9 x 10 8 10 7 η 10 6 10 5 10 0 2 4 6 8 10 Frequency / Hz 11 复旦大学物理系 12 14 16 18 9 x 10 微波偏振片的机理研究和制作 . . .. 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 可能的方案 制作过程 . 可能的方案 绕线法。借助一根辅助轴，使得所有铜丝位于轴的同侧。 刻槽法。在板上按给定周期刻上相应宽度的槽，将铜丝置于 槽中，最后用两块板将铜丝夹紧。 胶贴法。用两块板夹住铜丝，在板的缝隙中灌注强力胶，使 得板与铜丝的位置相对固定。 12 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 可能的方案 制作过程 . 金属栅网的制作过程 ... 使用双面胶局部固定 ... 密排铜管后，剔除相邻两根中的 1 2 一根，保证铜管之间等距 ... 木条压紧二次固定，并在缝隙中 3 灌入强力胶 ... 周围钉上木条，保证框架的稳定 4 13 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 旧仪器的粗测 新仪器的测量 . 用旧仪器粗测 粗测：喇叭的工作频带很窄；功率计对于小功率测量不准 偏振片在两喇叭天线之间移动，对功率计读数 TM模式的透过率约为TE模式的透过率的103 倍 14 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 旧仪器的粗测 新仪器的测量 . 用Agilent E8362C网络分析仪进行测量 双脊天线喇叭：宽频带，高增益，方向性好 测量原理：接收天线的增益的变化。测量量：S21 ，即振幅 透射系数的值，单位是dB 偏振片与喇叭的相对位置：发射喇叭口、接收喇叭口、两喇 叭中间 测量结果是每一个频率点上的相对增益，因此点点之间的值 没有必然联系 15 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 旧仪器的粗测 新仪器的测量 . 测量结果 偏振片放在发射 喇叭口(上为TE， 下为TM) 偏振片放在接收 喇叭口(上为TE， 下为TM) 偏振片放在喇叭 之间(上为TE，下 为TM) 20 20 20 10 10 10 0 0 0 −20 Gain / dB −10 Gain / dB Gain / dB −10 −10 −20 −30 −20 −30 −30 −40 −40 −40 −50 −60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Frequency / Hz −50 0 2 −50 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Frequency / Hz 10 x 10 8 −60 0 2 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Frequency / Hz 2 10 x 10 4 10 2 2 −2 5 Gain / dB 0 Gain / dB Gain / dB 0.6 6 4 0 −4 0 −2 −4 −6 −6 −5 −8 −8 −10 −10 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency / Hz 16 0.4 8 15 6 −12 0 0.2 10 x 10 1.4 1.6 1.8 2 10 x 10 −10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency / Hz 复旦大学物理系 1.4 1.6 1.8 2 −12 0 0.2 0.4 10 x 10 微波偏振片的机理研究和制作 0.6 0.8 1 1.2 Frequency / Hz 1.4 1.6 1.8 2 10 x 10 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 旧仪器的粗测 新仪器的测量 . 不同偏振片的对比 20 10 Antenna Gain / dB 0 −10 −20 −30 −40 −50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency / Hz 1.4 1.6 1.8 2 10 x 10 将我们的偏振片作为起偏器，用另一块偏振片作为检偏器 可以发现最多只有10dB左右的波被滤去 某些频率上，透过率反而增高 17 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 . 总结 通过计算和模拟，验证了定性分析的正确性，并且得到了设 计方案 利用铜管、木条等建议物品按照设计方案装配了一个偏振片 通过实验证明了参数改变对于偏振片性能的影响 根据实际的应用情况，我们的偏振片完全符合制作要求，可 以用来开展进一步实验 18 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 . Q&A 欢 迎 提 问！ 19 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 金属栅网偏振 设计偏振片:计算与模拟 金属栅网偏振片的制作 金属栅网的性能测量 总结 . 解的收敛性 谐波数N 的收敛性 分层数M 的收敛性 0.9988 1 TM Transmittance TE Reflectivity 0.9 0.9987 TM Reflectivity TM Transmittance 0.9986 Diffraction Efficiency (Level 0) Diffraction efficiency (Level 0) 0.9987 TE Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.9986 0.9985 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 −3 2.22 x 10 TM Reflectivity 2.2 2.18 0.2 2.16 0.1 2.14 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 20 2.12 0 20 40 60 80 100 Layers NT 复旦大学物理系 微波偏振片的机理研究和制作 120 140 160 180 200