一種新型線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線設(shè)計(jì)

王 泉，李鵬凱

（電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

一種新型線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線設(shè)計(jì)

王 泉，李鵬凱

（電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

無法獨(dú)立控制空間補(bǔ)償相位值和正交極化相位差值一直是傳統(tǒng)線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣中的難題。基于電場(chǎng)矢量合成，提出了一種可以將空間相位補(bǔ)償方式和極化控制方式兩者完全獨(dú)立的線-圓極化轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方法，為高純度線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣的研究提供了新的思路。提出了一種層疊三平行偶極子單元組來實(shí)現(xiàn)這種線-圓極化轉(zhuǎn)換的方法，以此設(shè)計(jì)、加工并測(cè)試了一款工作在X波段的線極化-右旋圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線。測(cè)試結(jié)果表明，該反射陣在中心頻點(diǎn)增益22.4 dB，交叉極化優(yōu)于-28 dB，1 dB增益帶寬和3 dB軸比帶寬約為10%。

圓極化；相位補(bǔ)償；極化變換；反射陣天線

0 引言

在現(xiàn)代通信中，遠(yuǎn)距離通信和雷達(dá)系統(tǒng)中需要使用高增益天線。傳統(tǒng)高增益天線主要有拋物面和微帶陣列兩種形式。拋物面天線采用饋源照射，輻射效率高，但體積大、安裝復(fù)雜;微帶陣列天線為平面結(jié)構(gòu)，制作簡(jiǎn)單，但饋電網(wǎng)絡(luò)損耗大、效率低。本文中涉及的反射陣天線(reflectarray antennas)是將拋物反射面天線和微帶陣列天線的若干優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合而形成的一種新的天線類型。它主要由呈周期性排布的反射陣列和饋源組成[1]，其工作機(jī)理是：電磁波由饋源發(fā)出后，經(jīng)過不同的傳輸路徑到達(dá)反射陣面；反射陣通過對(duì)每個(gè)單元的尺寸、旋轉(zhuǎn)角度或耦合口徑等物理尺寸的設(shè)計(jì)而使其對(duì)饋源入射的電磁波的反射相位進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而使從反射陣面的反射場(chǎng)在陣列口面上形成適當(dāng)?shù)南辔徊ㄇ皥D案，以產(chǎn)生所需的輻射方向圖。

另一方面，圓極化天線由于其對(duì)于空間環(huán)境干擾的穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)、地表波通信和射電天文學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)圓極化反射陣的主要方法有兩種：(1)采用圓極化饋源照射旋轉(zhuǎn)角度單元的設(shè)計(jì)[2，3]，該方法對(duì)饋源性能要求較高；(2)采用線-圓極化轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，該方法采用線極化饋源，饋源可選取漸進(jìn)槽縫線天線(taper slot antennas)等平面結(jié)構(gòu)，剖面低，遮擋影響較小[4-8]。但是在傳統(tǒng)的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線設(shè)計(jì)中，空間相位補(bǔ)償參數(shù)與極化控制參數(shù)兩者相互關(guān)聯(lián)，使得兩個(gè)正交極化分量的復(fù)反射系數(shù)相互影響，不易獲得精確的單元尺寸，也使整體單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程變得復(fù)雜。

本文提出了一種可以獨(dú)立控制兩個(gè)正交線極化反射特性的反射陣單元設(shè)計(jì)方法。該方法將空間相位補(bǔ)償方式和極化控制方式兩者分離開來，相互獨(dú)立互不影響。新型單元設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，有效減少了設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程和難度。

1 線-圓極化轉(zhuǎn)換原理分析

電磁波的極化描述是在空間的某一點(diǎn)，在與電磁波傳播方向正交的平面上，電場(chǎng)矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于極化角為θf的線極化電磁波沿z軸負(fù)方向垂直入射到反射陣單元的情景如圖1所示。

圖1 線-圓極化轉(zhuǎn)換示意圖

從圖1可以看出，入射電磁波矢量 Ei=E0∠φ0(幅度為 E0，相位為 φ0)沿 z軸負(fù)方向垂直入射，電場(chǎng)矢量可以分解到x軸和y軸兩個(gè)正交的方向，即：

經(jīng)反射系數(shù)為 Γx，y=ρx，y∠φx，y(幅度為 ρx，y，相位為φx，y；下標(biāo)x，y分別對(duì)應(yīng)x，y軸向分量)的反射陣單元反射后，此時(shí)反射電磁波沿z軸正方向，電場(chǎng)矢量可以表示為：

為了實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換，反射電磁波電場(chǎng)在x軸和y軸的兩個(gè)分量需要滿足以下條件：

其中，兩個(gè)正交極化的相位差Δδ=±π/2分別對(duì)應(yīng)左旋圓極化波和右旋圓極化波。為了實(shí)現(xiàn)方案中的線-圓極化轉(zhuǎn)換，需要能獨(dú)立控制反射波中兩個(gè)正交線極化的幅度和相位。這就要求所設(shè)計(jì)的反射陣單元能夠獨(dú)立地控制兩個(gè)正交線極化的復(fù)反射系數(shù)，這樣才能同時(shí)滿足空間相位補(bǔ)償和兩個(gè)極化間的相位差。值得注意的是，傳統(tǒng)的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣單元，由于兩個(gè)極化的反射結(jié)構(gòu)相連，兩個(gè)極化間的反射相位會(huì)有一定程度的相互影響。這種“非獨(dú)立”的單元類型會(huì)大大提升設(shè)計(jì)和優(yōu)化的復(fù)雜度，而且某些情況下得不到最佳值，從而影響圓極化反射陣軸比和交叉極化等方面的性能。

2 線-圓極化轉(zhuǎn)換反射單元設(shè)計(jì)

本文中采用如圖2所示的層疊三平行偶極子環(huán)單元組來實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換。層疊三平行偶極子環(huán)單元組分為上下兩層，上層包括控制y軸向極化的三平行偶極子環(huán)單元和金屬柵格地；下層包括控制x軸向極化的三平行偶極子環(huán)單元和金屬地；上下兩層的三平行偶極子環(huán)單元的尺寸保持一致，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 層疊三平行偶極子環(huán)單元示意圖

表1 三平行偶極子環(huán)單元參數(shù)列表(單位：mm)

三平行偶極子環(huán)由三個(gè)相互平行的矩形偶極子環(huán)構(gòu)成，中間有短金屬條帶相連以降低單元的交叉極化。上下兩層的偶極子環(huán)尺寸相同，介質(zhì)基片均使用厚度 t=0.508 mm的Rogers 5880(εr=2.2)；單元通過調(diào)節(jié)三個(gè)環(huán)的長(zhǎng)度在中心頻點(diǎn) 11.3 GHz處獲得近似線性的反射相位響應(yīng)，如圖3所示。從圖中可以看出，單層的三平行偶極子單元有470°左右平坦的反射相移曲線。單元良好的反射系數(shù)曲線為后續(xù)線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 層疊三平行偶極子環(huán)單元反射系數(shù)圖(11.3 GHz)

上層的金屬柵格地由一系列沿x軸周期排列的金屬條構(gòu)成，可以反射y軸向的線極化波，透過x軸向的線極化波。利用該特性可以將一個(gè)線極化入射電磁波分解為兩個(gè)獨(dú)立的正交線極化，分別通過上下兩層相同的三平行偶極子環(huán)單元分別補(bǔ)償空間相位差，使得反射波在某一方向上獲得聚焦效果。另一方面，當(dāng)線極化饋源極化角為 θf=135°，單元兩層間的空氣隙的高度為 hair時(shí)，x極化的電磁波會(huì)穿過金屬柵格地由下層的三平行偶極子環(huán)單元反射，從而相較y極化產(chǎn)生的反射相位差為：

式中，k0是自由空間波數(shù)；εr是金屬柵格地基片的介電常數(shù)。在實(shí)際裝配中，兩層間的距離不能過小，為了在11.3 GHz處實(shí)現(xiàn)線極化波轉(zhuǎn)右旋圓極化波，取 hair= 16.35 mm，此時(shí)Δδ=-5π/2。圖3中上下兩層的單元在偶極子長(zhǎng)度l變化的過程中，反射移相曲線基本平行且保持 -90°的相位差（為了簡(jiǎn)化已扣除-2π），而且反射系數(shù)幅度的變化基本同步。這就證明了通過調(diào)節(jié)空氣隙高度可以獨(dú)立于空間相位補(bǔ)償之外，控制兩個(gè)正交線極化的相位差。

通過上述研究分析可知：層疊的三平行偶極子環(huán)單元組，一方面可以分別對(duì)兩個(gè)正交線極化的反射系數(shù)進(jìn)行控制，金屬柵格地能大大提高兩個(gè)極化的隔離度和獨(dú)立性；另一方面，該單元能通過改變層間空氣隙的高度來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)極化間的任意相位差，是一種有效的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣單元結(jié)構(gòu)，而且具有實(shí)現(xiàn)任意變極化功能的潛力。

3 線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上文中介紹的線-圓極化轉(zhuǎn)換的原理和層疊的三平行偶極子環(huán)單元的性能，本文設(shè)計(jì)了一款工作在X波段的右旋圓極化反射陣天線。該反射陣天線的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖，如圖4所示。反射陣中心工作頻率在 11.3 GHz，陣面口徑為 195 mm×195 mm，共有 15×15個(gè)單元。層疊的三平行偶極子環(huán)單元和金屬柵格地均印刷在厚0.508 mm的Rogers 5 880基片上。為了減小饋源遮擋效應(yīng)，反射陣采用偏饋結(jié)構(gòu)，焦徑比F/D=1，陣列波束沿z軸正方向。

圖4 線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖

線極化的TSA天線作為饋源，其實(shí)物照片和中心頻點(diǎn)處的實(shí)測(cè)方向圖如圖5所示。

圖5 線性漸進(jìn)槽天線照片和歸一化實(shí)測(cè)方向圖(11.3 GHz)

饋源的相位中心固定在(0，-70.98 mm，195 mm)處，增益為11.6 dB，-10 dB波束寬為72°，斜入射角為20°。在確定了反射陣天線的基本結(jié)構(gòu)后，所需的陣面相位分布根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]中的方法計(jì)算得到。

為了驗(yàn)證線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線的性能，對(duì)該天線在微波暗室進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，其中心頻點(diǎn)的歸一化方向圖、軸比、增益曲線的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比見圖6和圖7。從圖6可以看出，該線-圓極化反射陣在 11.3 GHz處，XOZ和 YOZ面的3 dB波束寬度約為7.8°/7.6°，副瓣電平為-14.5 dB/-14.9 dB，交叉極化電平為-36 dB/-28 dB。測(cè)試結(jié)果表明，該天線在中心頻點(diǎn)有較好的圓極化純度和交叉極化抑制。

圖6 線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣歸一化方向圖(11.3 GHz)

圖7 線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣方向圖(11.3 GHz)

觀察圖7可知，該線-圓極化反射陣天線在11.3 GHz處，有0.17 dB的軸比和22.4 dB的增益。以中心頻點(diǎn)為中心，該反射陣天線有大約10%的3 dB軸比帶寬和 1 dB增益帶寬。

對(duì)比圖6和圖7的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果，該線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線在測(cè)試過程中，因?yàn)榧庸ず脱b配誤差導(dǎo)致了一定的頻率偏移，但總體的增益和軸比曲線在工作頻帶內(nèi)的變化趨勢(shì)和性能基本類似。該反射陣天線的工作帶寬不寬，這是由于空氣隙引入的延遲相位的工作帶寬較窄，在寬帶范圍內(nèi)無法保證穩(wěn)定的正交極化相位差。值得注意的是，該反射陣天線的空間補(bǔ)償相位值和兩個(gè)正交極化相位差值分別由三平行偶極子環(huán)的長(zhǎng)度和層間空氣隙的高度來獨(dú)立控制，互不影響；這就給下一步的多極化、變極化反射陣設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文提出了一種可以完全獨(dú)立控制反射陣單元空間補(bǔ)償相位值和正交極化相位差值的線-圓極化轉(zhuǎn)換方案和實(shí)現(xiàn)單元。采用此方法并結(jié)合層疊三平行偶極子單元組，設(shè)計(jì)、加工并測(cè)試了一款工作在X波段的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線。測(cè)試結(jié)果表明，該反射陣在中心頻點(diǎn)增益22.4 dB，交叉極化優(yōu)于-28 dB；1 dB增益帶寬和3 dB軸比帶寬約為10%。該反射陣驗(yàn)證了空間補(bǔ)償相位值和正交極化相位差值可以進(jìn)行獨(dú)立控制，為后續(xù)的多極化、變極化反射陣設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

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Design of linearly polarized to circularly polarized transformation reflectarray antenna

Wang Quan，Li Pengkai
(School of Communication and Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

It is a practical design challenge on linear polarized to circular polarized transformation reflectarray,that spatial compensation phase and phase difference of quadrature polarization can′t be controlled independently.To solve this problem,a novel design method based on vectorial resultant of the electric field is introduced to absolutely independently control the two phase value, and it provides a new way of thinking about the design of linearly polarized to circularly polarized transformation reflectarray.Dualstack three-parallel dipoles unit is presented to realize the independent control of the two phases.An X-band linear polarized to the right hand circular polarized transformation reflectarray using this unit is investigated,fabricated and measured.Experimental results demonstrate that the gain of 22.4 dB and cross-polarization level of-28 dB are obtained at 11.3 GHz,with 10%3-dB axial-ratio and 1-dB gain bandwidth.

circular polarization；phase compensation；polarized transformation；reflectarray antenna

TN82

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.022

王泉，李鵬凱.一種新型線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：85-88.

英文引用格式：Wang Quan，Li Pengkai.Design of linearly polarized to circularly polarized transformation reflectarray antenna[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：85-88.

2016-06-27）

王泉（1988-），男，博士，主要研究方向：反射陣天線、頻率選擇表面設(shè)計(jì)。

李鵬凱（1990-），男，博士，主要研究方向：可重構(gòu)天線、多功能天線陣設(shè)計(jì)。