一款低剖面圆极化折叠透射阵列天线设计

Design for a Low-Profile Circularly Polarized Folded Transmitting Array Antenna

摘要

为降低剖面高度，拓展该类天线的应用场景，使天线能够进一步节省空间，提出一种低剖面极化选择透射单元，利用该单元设计一款圆极化透射阵列天线，通过在馈源外围增设金属覆层、切换双圆极化喇叭天线的同轴线馈电端口，进一步提出一种低剖面宽带圆极化折叠透射阵列天线的设计方案。实测结果表明，天线在11 GHz时获得最大的18.5 dBi增益，其3 dB增益带宽为9.4~11.5 GHz达到了19.6%，3 dB轴比带宽为9.8~11.3 GHz达到了14.3%。

Abstract

Metasurface-based array antennas have garnered significant attention from academia and industry owing to their low cost， low power consumption， and high deployability. However， conventional arrays are often bulky， heavy， and suffer from complex feed networks. To achieve a lower profile， broaden application scenarios， and save space， this paper introduces a low-profile polarization-selective transmission unit. A type circularly polarized transmitarray antenna is designed based on this unit.Furthermore， by incorporating a metal surface around the feed source and switching the coaxial feed ports of a dual-circularly polarized horn antenna， we propose a low-profile broadband circularly polarized folded transmitarray antenna. A measurement campaign reveals that the antenna achieves a maximum gain of 18.5 dBi at 11 GHz. The obtained 3-dB gain and axial ratio bandwidths are 19.6% （9.4~11.5 GHz） and 14.3% （9.8~11.3 GHz）， respectively.

Graphical abstract

关键词

圆极化波 / 低剖面 / 双圆极化喇叭天线 / 透射阵列天线

Key words

Circularly polarized wave / low profile / dual circularly polarized horn antenna / transmission array antenna

反射面天线和阵列天线作为传统的高增益天线，存在体积大、馈电网络复杂等一系列问题，易造成反射面天线的口径利用不充分及阵列天线的馈电能量损失严重，最终降低了天线效率。为有效解决天线口径利用不充分的问题，多位学者利用折叠光线追踪原理，通过降低阵列剖面高度重新设计出了折叠反射阵列天线^［1⁃4］。为进一步提高天线的效率，采用球面偏振器作为副反射器^［5］，主动校正天线波前畸变，使波阵面更接近理想平面波，从而显著提升了天线的口径效率。此外，研究者还设计了以偏振旋转面为主反射面，用于宽带运行的折叠反射阵列天线^［6⁃8］。该结构依托偏振旋转超表面构建折叠光路，既可大幅缩减天线纵向尺寸，还能从根源上消除传统副反射器引发的孔径遮挡效应，实现宽带工况下的高效辐射。但由于极化网格的存在，上述折叠反射天线仅可实现线极化运行，而圆极化应用于折叠反射天线仍是一个巨大的挑战。与反射阵列的相位补偿天线不同，折叠透射阵列天线在极化选择阵列上进行相位控制，可有效降低天线剖面高度，但该类天线上层阵列需集成多功能特性，结构多为多层堆叠形式^［9］，圆极化实现难度较高。目前通常采用的圆极化解决方案有以下两种：（1）基于原始天线阵列的线圆极化转换器^［10］；（2）采用圆极化馈源^［11］发射圆极化波。但前者带来了额外的插入损耗，增加了制造成本；后者不需要极化转换，天线效率更高，但容易受到带宽窄的限制，需要进一步改进。超表面组成的阵列天线具备成本低、能耗低、易于部署的优点，受到了学术界和产业界的广泛关注。

目前，已经报道的圆极化天线有介质谐振天线（DRAs）^［12］、微带贴片天线^［13］和基片集成波导（SIW）天线^［14］等。其中大多数的天线存在增益较低的缺点，并且随着阵列规模的扩大，馈电网络的复杂度呈指数增长，难以实现高增益圆极化天线。因此，需要一种新的、简单的圆极化天线结构。针对以上问题，本文提出一种新型低剖面极化选择透射单元。基于该单元结构，通过在馈源外围增设金属表层结构、切换双圆极化喇叭天线同轴线馈电端口，进一步设计宽带圆极化折叠透射阵列天线。

1 低剖面宽带圆极化折叠透射阵列天线设计原理

低剖面宽带圆极化折叠透射阵列天线的设计原理如图1所示，主要由以下三部分构成：（1）低剖面极化选择透射单元组成的顶部阵列；（2）一层金属表面组成的底部阵面；（3）双圆极化喇叭天线。其中，顶部的低剖面极化选择透射单元在设计中具有至关重要的作用，应具备以下三个功能：首先，单元在低剖面和高透射幅度条件下，能选择性地允许右旋圆极化波通过，并反射左旋圆极化波；其次，单元能将透过的右旋圆极化波转化为左旋圆极化波；最后，单元能为透射的左旋圆极化波提供360°的相位补偿。根据图1可知，由馈源发射的左旋圆极化波（红色实线标示）首先向上辐射至顶部的低剖面极化选择透射阵面，由于该阵面的极化选择性，左旋圆极化波会在顶部发生反射。随后，左旋圆极化波被反射到底部金属表面，由于金属表面对圆极化波的自然极化转换特性而被反射成右旋圆极化波（蓝色实线标示）。最后，右旋圆极化波由底部反射后进入顶部透射阵列中，它将右旋圆极化波转化为理想的左旋圆极化波，并对透射波进行必要的相位补偿后再辐射出去。由馈源发射的电磁波经历了两次反射，并在这一过程中完成了极化状态的转换，遵循O-M-N-P的路径。其传播关系满足：

OM=MN=NP， O_i P=OM+MN+NP=3×OM。（1）

因此可以得出：低剖面宽带圆极化折叠透射阵列天线的馈源到阵面的剖面高度H减少到传统透射阵列天线焦距的三分之一。

2 单元结构与性能分析

设计的低剖面极化选择透射单元结构如图2所示。该单元具有五层结构，其中两层介质基板采用F4B350材料，每层厚度为h=1.5 mm。周期（P）设定为10 mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.002。介于两层基板之间的是一层厚度为0.1 mm的胶层，单元结构优化后的具体参数值见表1。

采用CST微波工作室中的频域有限元求解器，结合周期边界条件和Floquet端口激励进行仿真研究。仿真结果如图3所示。从图3中可看出，单元在9~13 GHz频段内对圆极化波具有非对称响应。当左旋圆极化波入射时，材料表现为高效反射单元，其同极化反射率R_{LCP_LCP}达到0.8以上，透射与交叉极化响应均被抑制在0.4以下。相反，当右旋圆极化波入射时，材料展现出卓越的透射与极化转换能力，交叉极化透射率T_{LCP_RCP}同样超过0.8，意味着大部分右旋波被转换为左旋波并高效透射，同时反射被有效抑制。

在低剖面圆极化折叠透射阵列天线中，电磁波在阵列与金属底板之间多次反射，会导致阵列各单元处于不同的入射角，这些入射角对天线的透射率有一定影响。图4给出了不同入射角度下的天线透射率的变化情况，当斜入射角从0°增大至40°时，单元的交叉极化透射率T_{LCP_RCP}与同极化反射率R_{LCP_LCP}均逐渐降低，其幅度保持在0.8以上的工作带宽也相应变窄。尽管交叉极化透射率T_{LCP_RCP}和同极化反射率R_{LCP_LCP}逐渐减少，但在9~13.0 GHz频段内，上述性能变化仍处于阵列设计的可接受范围内，表明该单元具备良好的斜入射稳定性。

另一个关键问题是单元在保持极化转换稳定性的同时，能够独立调节透射相位，对精准调控波束指向具有至关重要的作用。本单元通过旋转上层的不对称U型槽贴片天线，可实现相位的调控。如果透射率在旋转过程中保持稳定，那么相位会随着旋转角度从45°逐渐减少，最终实现8个角度（0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°）对应的相位状态调节（图5）。仿真结果表明，该低剖面极化选择透射单元具有卓越的极化选择性、极化转换和相位补偿能力，适用于圆极化透射阵列天线的设计。

3 阵列天线设计与结果

根据低剖面宽带圆极化透射阵列天线的工作原理，利用本文所设计的低剖面极化选择透射单元和双圆极化喇叭天线，设计一款低剖面宽带圆极化透射阵列天线，该天线具有9.8 GHz的中心频率和f=75 mm的焦距。该天线阵列口径为150 mm×150 mm，是由15×15个低剖面极化选择透射单元组成。为实现高增益波束，需利用透射阵面上的单元对透射电磁波进行相位补偿，如图6（A）所示，需要计算透射阵列中每个单元需要补偿的相位。透射相位与单元旋转角度的关系通过CST-MATLAB-API工具库进行自动建模，并在图6（B）中展示了透射阵列的结构。

天线整体结构如图7所示，将双圆极化喇叭天线放置于底部金属表面的正中心，顶部透射阵列与底部金属表面的距离设置为焦距的三分之一，即25 mm。

仿真的实测对比结果如图8所示。从图8中可以看出，实测增益相比仿真下降了2 dB左右，但仍然在可接受范围内。实测轴比与仿真趋势大体一致，在大部分频段（如8~9 GHz和11~12 GHz）实测值低于3 dB，甚至略优于仿真值，说明实际天线在宽频带内满足圆极化要求。然而，在9~10 GHz频段，实测轴比峰值介于8~9 dB，恶化程度略高，这可能源于测试环境中的多路径干扰或装配误差。

边缘频点测试和仿真的阵列归一化方向如图9-10所示。从图9-10可以看出，测试和仿真结果基本一致。在边缘频点处，方向图副瓣有所恶化但基本都保持在-10 dB以下。带内交叉极化和主极化差在-15 dB左右。实测与仿真之间的差异在可接受的范围内，达到了预期效果，证明了天线具有优异的窄波束和高圆极化纯度。

4 结论

本文设计的低剖面圆极化折叠透射阵列天线，将馈源到阵面的剖面高度降低至传统高度的三分之一。研究表明，天线在11 GHz时获得最大的18.5 dBi增益，其3 dB增益带宽为9.4~11.5 GHz达到了19.6%，3 dB轴比带宽为9.8~11.3 GHz达到了14.3%。因此，在实际应用中可根据需求灵活选择，以平衡性能与结构尺寸。

尽管本文天线在最大增益、3 dB增益带宽和3 dB轴比带宽方面并没有显著优势，其设计仍明显优化了空间效率，特别是在空间受限的应用环境中具有明显的优势。本研究不仅提供了一种良好性能的天线设计，更拓展了一条通过结构创新来优化空间效率的技术路径，具有广阔的深化研究空间与应用前景。

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[15] 下转第 440 页）

基金资助

国家自然科学基金资助项目“基于深度学习的5G基站滤波器件自动调试算法研究”(62161032)

内蒙古自然科学基金资助项目“微波滤波器智能优化设计的关键技术研究”(2024MS06006)