新型開口方環(huán)FSS圓極化器的研究與設(shè)計

袁良昊　湯煒

【摘 要】本文基于開口方形環(huán)FSS，設(shè)計了一款用于將線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波的新型圓極化器。圓極化器由雙層FSS構(gòu)成，其周期單元為開口方環(huán)形結(jié)構(gòu)，并在其中加入串聯(lián)雙H型耦合枝節(jié)。隨后利用有限元仿真軟件HFSS對圓極化器參數(shù)進行仿真和優(yōu)化，結(jié)果顯示圓極化器3dB軸比帶寬達到了25.6%，其中870MHz-1080MHz頻帶內(nèi)軸比都小于2dB，S21都維持在-1.7dB以上。

【關(guān)鍵詞】開口環(huán)；圓極化；軸比

Research and Design of A Novel Circularly Polarization Converter Based On Split-Rectangle-Ring FSS

YUAN Liang-hao TANG Wei

（College of Information Science and Engineering， Huaqiao University， Xiamen Fujian 361021，China）

【Abstract】We design a novel circularly polarization converter based on split-rectangle-ring FSS， which can convert linearly polarized wave into circularly polarized wave. This converter is consisted of two layers FSS and its unit cell is an H metallic patch as a coupling stub surrounded with a split-rectangle-ring. Its simulation results show that its 3dB axis ratio bandwidth is about 25.6% and the frequency band where AR is below 2dB is from 870MHz to 1080MHz. Moreover the S21 is above -1.7dB.

【Key words】Split-ring； Circular polarization； Axial ratio

圓極化波因其具有比線極化波更好的抗干擾性和多徑收發(fā)特性，而被廣泛的應(yīng)用于遙感測繪、天文探測、雷達掃描、無線通信及電視廣播等領(lǐng)域。[1]產(chǎn)生圓極化波方式一般可分為四種：單饋法[2]、多饋法[3]、多元法[4]和圓極化器法[5]，單饋天線是指單端口饋電，采用簡并模分離法，通過微擾產(chǎn)生兩個輻射正交極化的簡并模；多饋天線就是利用多個饋電點來激勵多個正交簡并模的方式來實現(xiàn)圓極化；多元天線則是在多個單元中激勵出幅度相等、相互正交的信號來實現(xiàn)天線的圓極化；而圓極化器天線一般由線極化天線和FSS[6]組成，線極化天線發(fā)出的線極化波可以分解為水平分量和垂直分量，圓極化器FSS能對這兩個分量產(chǎn)生不同的傳輸特性，使線極化波在透過FSS后，得到幅度近似相等、相位相差±90°的水平分量和垂直分量，從而實現(xiàn)天線的圓極化特性.實現(xiàn)圓極化功能的FSS單元有多種形式，如耶路撒冷十字型[7]、折線型[8]、開口環(huán)型[9]等。開口環(huán)圓極化器由于其自身結(jié)構(gòu)簡單，圓極化效果好等優(yōu)點，而成為研究熱點。

本文提出的新型圓極化器，在傳統(tǒng)開口方環(huán)FSS中加入新型耦合枝節(jié)，即在單一水平耦合枝節(jié)的基礎(chǔ)上，再加入四個縱向耦合枝節(jié)，形成串聯(lián)雙H型耦合枝節(jié)開口方環(huán)FSS，以實現(xiàn)更好的圓極化性能，在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)圓極化，同時實現(xiàn)更好的阻抗匹配[10]。

1 圓極化基本原理

如圖1所示，當線極化入射波沿z軸方向傳播（即垂直于圓極化器），且電場極化方向與x軸成45°夾角的方式射入圓極化器時，入射波可以分解成兩個大小相同的正交分量，即：

2 開口環(huán)圓極化器對比分析

本文借鑒了文獻[9]圓開口環(huán)加條狀耦合枝節(jié)的FSS模型，但考慮到方形開口環(huán)可與耦合枝節(jié)保持固定距離，耦合強度比圓形開口環(huán)要大，有利于縮小圓極化器的體積和層數(shù)，故本文采用方形開口環(huán)模型。另外，加入不同形狀的耦合枝節(jié)，對透射波的x分量和y分量的影響效果也不同，此時透射波的的x分量和y分量所產(chǎn)生的相位差度數(shù)也不同，故即使在采用相同大小、厚度、介電常數(shù)的介質(zhì)基板的情況下不一定都能產(chǎn)生90°的相位差。此處將單一橫向耦合枝節(jié)、加入兩個縱向耦合枝節(jié)和串聯(lián)雙H型耦合枝節(jié)的三種不同圓極化器在同等條件下加以對比。圖3表明，三種不同形狀周期單元的圓極化器產(chǎn)生相位差有一定差距。圖中可以看出僅由一橫向耦合枝節(jié)和加入兩個縱向耦合枝節(jié)的圓極化器，所產(chǎn)生的相位差明顯小于加入串聯(lián)H型耦合枝節(jié)圓極化器所產(chǎn)生的相位差，也未達到產(chǎn)生圓極化所需的90°相位差，不可能在同等條件下實現(xiàn)圓極化。相比之下，采用串聯(lián)雙H型耦合枝節(jié)的圓極化器，能在較寬的工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定的產(chǎn)生90°相位差，實現(xiàn)線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。

3 圓極化器結(jié)構(gòu)與分析

圖4為單層周期單元的俯視圖和側(cè)視圖，采用介質(zhì)基板為常規(guī)的FR4，厚度h為1.5mm，介電常數(shù)εr為4.4，正切損耗角tanδ=0.02。如圖5所示，圓極化器模型在開口環(huán)x軸方向加入串聯(lián)的雙H型耦合枝節(jié)。通過H型耦合枝節(jié)與開口方環(huán)在x軸方向上形成耦合電感，使透射波的x軸分量比y軸分量超前90°的相位，從而將線極化波轉(zhuǎn)化為圓極化波。

通過分析，本文給出針對x方向和y方向電場通過該圓極化器的等效電路圖，如圖5和圖6所示。其中

L1和C1代表未開口的完整方環(huán)的串聯(lián)諧振電路，Csh和Csv分別代表水平和垂直開口處邊緣所形成的電容，Rx、Cy和Lx是模型中串聯(lián)的雙H型耦合枝節(jié)部分的等效電路，Rs為將介質(zhì)板考慮在內(nèi)的其等效傳輸線模型（由于電磁波在介質(zhì)層中傳播而介質(zhì)會對電磁產(chǎn)生損耗，因而等效為電阻Rs）。而圓極化器的等效電路是將層與層之間的空氣考慮在內(nèi)的，兩個單層等效電路級聯(lián)所構(gòu)成的。

電抗可以改變透射波的傳輸相位，當電抗為容性時，會使傳輸相位滯后；當電抗為感性時，會使傳輸相位超前。故x軸分量的傳輸相位會比y軸分量超前。

經(jīng)過優(yōu)化后，能在850MHz-1100MHz內(nèi)實現(xiàn)圓極化的模型的具體尺寸如表1所示。

4 仿真結(jié)果

本文利用仿真軟件HFSS對所圓極化器進行設(shè)計和優(yōu)化仿真。從圖7可以看出本文設(shè)計的圓極化器可以在850MHz-1100MHz內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的90°相位差。圖8和圖9分別展示的是x軸極化分量和y軸極化分量在單層和雙層單元模型時透射系數(shù)。單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)都在工作頻帶內(nèi)保持了-3dB以上的透射系數(shù)，也即意味著線極化波作為入射波通過FSS時，絕大部分能量均透過FSS，由于雙層單元結(jié)構(gòu)的兩層之間還有一定高度的空氣層，其兩層之間會形成一個諧振腔，提高電磁波傳輸效率，因而雙層單元結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)比單層單元結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)要好。

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的圓極化器，圓極化器的FSS周期單元由開口方環(huán)和雙H型串聯(lián)耦合枝節(jié)組成，單元尺寸小于半個波長。該圓極化器是近場圓極化器，圓極化器與饋源之間的距離遠遠小于波長。以喇叭天線作為饋源時，可直接將該圓極化器置于喇叭饋源口平面處，則將線極化喇叭轉(zhuǎn)換為圓極化喇叭，且增益無明顯衰減，能實現(xiàn)更好的阻抗匹配。

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[責任編輯：朱麗娜]