基于回折線極化器技術(shù)的VICTS天線全極化可調(diào)實(shí)現(xiàn)

文 忠,袁 龍， 郭慶功

(1.成都國(guó)恒空間技術(shù)工程有限公司， 成都 610041； 2.四川大學(xué)電子信息學(xué)院， 成都 610065)

1 引 言

VICTS天線是一種基于連續(xù)橫向枝節(jié)(CTS)概念衍生出來(lái)的可用于“動(dòng)中通”通信的新型無(wú)源平板相控陣天線，具有低剖面、高增益、掃描范圍大、機(jī)械穩(wěn)定性高、成本低和易于批量制造等優(yōu)點(diǎn)，特別適合微波和毫米波頻段的應(yīng)用.相對(duì)于其他種類的“動(dòng)中通”通信天線，可適應(yīng)各種機(jī)動(dòng)平臺(tái)、跟蹤速度快以及掃描范圍大的VICTS天線具有先天性的優(yōu)勢(shì).

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)VICTS天線的工作原理和應(yīng)用方式開展了廣泛的研究.文獻(xiàn)[1,2]從陣列天線原理出發(fā)，建立了VICTS輻射方向圖的數(shù)學(xué)模型，對(duì)VICTS天線的工作原理開展了深入的研究.文獻(xiàn)[3]提出了一種利用可旋轉(zhuǎn)脊波導(dǎo)縫隙陣列饋電實(shí)現(xiàn)波束掃描的VICTS天線方案，可實(shí)現(xiàn)±30°的俯仰面波束掃描.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于饋電層和CTS輻射層相對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)天線輻射的工作于60 GHz的VICTS天線，口徑效率可達(dá)62%，可實(shí)現(xiàn)±60°俯仰面掃描.近年來(lái)面向工程應(yīng)用有學(xué)者就VICTS天線的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了廣泛的探索，設(shè)計(jì)了多種不同形式的VICTS天線[5-7].但上述研究均未涉及到VICTS天線的極化匹配問(wèn)題.由于VICTS天線是一種線極化天線，且其極化方向隨著波束掃描而改變，在“動(dòng)中通”應(yīng)用中，必須設(shè)計(jì)一個(gè)極化層進(jìn)行VICTS天線的極化補(bǔ)償或轉(zhuǎn)換.

文獻(xiàn)[8]特別設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)CTS天線的空間極化匹配裝置.文獻(xiàn)[9,10]基于模式匹配技術(shù)和遞歸T矩陣的線極化旋轉(zhuǎn)器分析方法，采用一種周期金屬線形式的極化裝置，在各自工作頻段實(shí)現(xiàn)了超寬頻帶內(nèi)的45°極化旋轉(zhuǎn).文獻(xiàn)[11,12]分別基于金屬回折線極化器，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶的線/圓極化轉(zhuǎn)換.文獻(xiàn)[13]提出了一種采用方形環(huán)陣列實(shí)現(xiàn)線/圓極化轉(zhuǎn)換的可行方案.不過(guò)，這些方案均只能夠?qū)崿F(xiàn)一種極化方式，而在某些衛(wèi)星通信頻段，需要終端天線在不更換饋源的前提下，能在線極化和圓極化兩種模式中自由切換.因此，要求終端天線既能在線極化模式下工作，又具備圓極化功能，迫切需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)線極化和圓極化的自由切換的極化器.

本文提出了一種基于回折線極化器技術(shù)的VICTS天線全極化可調(diào)的實(shí)現(xiàn)方案，采用兩個(gè)回折線極化器，可在不同工作模式下分別實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化.為了驗(yàn)證這種方法的正確性，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在Ka頻段的全極化可調(diào)VICTS天線，Ansoft HFSS的仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求.

全極化可調(diào)VICTS天線的結(jié)構(gòu)如圖1，它由4個(gè)部分組成：一個(gè)VICTS天線、一個(gè)極化濾波器和兩個(gè)回折線極化器.

VICTS天線由下層的準(zhǔn)TEM波饋電層和上層的輻射單元陣列組成，兩個(gè)部分通過(guò)矩形過(guò)渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合.VICTS天線上下兩層采用平行波導(dǎo)技術(shù)，并不直接接觸，通過(guò)電機(jī)控制，可以很輕易實(shí)現(xiàn)一個(gè)角度φ的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，在輻射單元產(chǎn)生相位梯度，從而獲得波束掃描能力.

極化濾波器是一種由周期性金屬平行線構(gòu)成的極化選擇表面，該結(jié)構(gòu)在Rogers RT5880基板上實(shí)現(xiàn)，采用泡沫/蜂窩進(jìn)行支撐，能夠抑制由于VICTS天線旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的交叉極化分量，提高天線的極化隔離度.

圖1 全極化可調(diào)VICTS天線結(jié)構(gòu)圖

在本天線系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)相同的回折線極化器單元，每一個(gè)極化器單元都具備將設(shè)計(jì)頻率的入射線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波的功能.本文所提到的全極化可調(diào)正是通過(guò)這兩個(gè)相同回折線極化器單元實(shí)現(xiàn)的.

全極化可調(diào)VICTS天線是模塊化的，各個(gè)部分可以分開設(shè)計(jì)和優(yōu)化.本文不會(huì)對(duì)VICTS天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述，以下就回折線極化器電路分析與設(shè)計(jì)、圓極化工作模式和線極化工作模式等幾個(gè)部分展開研究.

3 回折線極化器電路模型

回折線極化器是一種由金屬回折線格柵構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)，通常由3到4層級(jí)聯(lián)構(gòu)成，層間距一般為四分之一個(gè)波長(zhǎng)，以獲得最大的帶寬.回折線極化器的主要幾何參數(shù)包括：層間距d，基板厚度h，金屬線寬度t，回折結(jié)構(gòu)寬度w，螺距p以及周期s，如圖2所示.

在實(shí)際應(yīng)用中，通常與線極化天線配合使用，能夠在寬頻帶獲得優(yōu)異的軸比性能和駐波性能.此外，可利用標(biāo)準(zhǔn)印制板(Printed Circuit Board,PCB)工藝實(shí)現(xiàn)低成本制造.層與層之間一般采用低損耗泡沫、聚氨酯蜂窩或塑料環(huán)支撐.回折線極化器是一個(gè)各向異性結(jié)構(gòu)，當(dāng)入射平面波照射到該極化器上時(shí)，平行于金屬回折線軸線的電場(chǎng)表現(xiàn)為感性，垂直于金屬回折線軸線的電場(chǎng)表現(xiàn)為容性.為了實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)化，入射電場(chǎng)必須與回折線軸線呈45°(圖3(a)中的x軸)，這樣，入射平面波的電場(chǎng)被分解為兩個(gè)正交的等幅同相分量：E⊥和E‖，其中，⊥和∥分別指垂直和平行于回折線軸線的方向.從成本、插入損耗和帶寬綜合考慮，回折線極化器一般為三層，等效電路模型如圖3(b)所示.在這個(gè)電路模型中，沒有考慮兩個(gè)正交極化之間的耦合，這個(gè)假設(shè)是合理的，因?yàn)榛卣劬€表面產(chǎn)生的交叉極化很小.圖3(b)中的等效電路被設(shè)計(jì)為傳輸系數(shù)為|τ=1|，傳輸相位差為90°，這樣就能夠確保入射線極化波能夠無(wú)損耗地轉(zhuǎn)換為回折線極化器輸出端口處的圓極化波.

圖2 回折線極化器幾何參數(shù)

圖3 回折線極化器及其等效電路模型基

為利用圖3(b)中的等效電路設(shè)計(jì)圓極化器，考慮圖4描述的通用等效電路模型.其中，b1,b2為歸一化導(dǎo)納，對(duì)于電容，歸一化電納為bC=ωCZ0；對(duì)于電感，歸一化電納為bL=-Z0/ωL.其中，Z0=377 Ω，為自由空間波阻抗.

圖4 單個(gè)極化(⊥或∥)電路模型Fig.4 Circuit model of the single(⊥or∥)polarization

為了滿足傳輸系數(shù)|τ=1| (或|Γ|=0)，對(duì)于一個(gè)給定層間距為θ=λ/4的回折線極化器，根據(jù)傳輸線理論并結(jié)合回折線極化器的對(duì)稱性，其等效電路各參數(shù)之間的關(guān)系可表示為

(1)

yb=ya+jb1

(2)

(3)

b2=-2Im(yc)

(4)

這樣，b1和b2的關(guān)系可以表示為

(5)

此外，電磁波在通過(guò)回折線極化器產(chǎn)生的傳輸相位差可以表示為

θI=2arctan(b1/2)+arctan(b2/2)

(6)

由圓極化形成條件Δφ=|φ⊥-φ‖|=90°并假設(shè)回折線極化器之間的支撐材料的特性阻抗Z1=Z0，就可以求得b1和b2的關(guān)系.

一般，為了使回折線的帶寬最寬，要求如下.

φ⊥=-45°，φ‖=+45°

(7)

這樣，則可得到層間距為λ/4，支撐材料特性阻抗近似等于空氣的三層回折線極化器的等效電路參數(shù)如下式.

b1⊥,‖=±0.439,b2⊥,‖=±0.736

(8)

為了驗(yàn)證這種電路模型的正確性，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在19.45 GHz的三層回折線極化器.每一層金屬回折線圖案均被蝕刻在5 mil厚的Rogers RT5880(εr=2.2,tanδ=0.0009)介質(zhì)基板上以減小損耗，銅厚為tCu=0.035 mm，相鄰層之間采用厚度為3.8 mm的Rohacell 71HF泡沫(εr=1.093,tanδ≈0.01)支撐.

采用無(wú)限周期陣列理論和Floquet模式展開方法，將圓極化器當(dāng)作是一個(gè)無(wú)限周期陣列，運(yùn)用Ansoft HFSS對(duì)該圓極化器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化.對(duì)每一層金屬回折線的尺寸和圖案進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，以從它們的反射系數(shù)Γ(⊥,‖)得到它們的歸一化導(dǎo)納b(⊥,‖).不過(guò)，在對(duì)回折線極化器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要有以下考慮：首先，為了避免柵瓣的產(chǎn)生和更高的Floquet模式的傳輸，每一個(gè)金屬回折線表面的晶格單元必須選擇足夠??；其次，在極化器設(shè)計(jì)過(guò)程中沒有考慮層與層之間的耦合，即使只有TE00和TM00兩個(gè)模式傳播，當(dāng)更高階消逝模在相鄰層的位置電平足夠高的情況下，也會(huì)對(duì)極化器的響應(yīng)產(chǎn)生影響.這樣，通過(guò)減小晶格單元尺寸來(lái)增加高階模式的衰減顯得尤其重要；最后，相鄰表面越近，高階模式對(duì)于極化器的響應(yīng)影響越大.因此，在對(duì)回折線極化器的每一層進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)完整的極化器進(jìn)行數(shù)值仿真和優(yōu)化，以獲得預(yù)期的響應(yīng).完整的三層回折線極化器晶格單元如圖5所示.

圖5 三層回折線極化器晶格單元模型

圖6為入射電磁波斜入射時(shí)，回折線極化器的軸比性能，從圖6可以看出，當(dāng)斜射角在T=0～70°變化時(shí)，軸比可在17.7～21.2 GHz的范圍內(nèi)保持在3 dB以下，可確保在VICTS進(jìn)行波束掃描時(shí)的極化匹配.

當(dāng)需要VICTS天線工作在圓極化時(shí)，將兩個(gè)回折線極化器切到圓極化模式，它們與極化濾波器的相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系如圖7所示.

圖6 回折線極化器軸比性能(17.7～21.2 GHz)

圖7 VICTS天線各層相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系(圓極化模式)Fig.7 The relative rotation coordinates of each layer of the VICTS antenna(circular polarization mode)

5 線極化模式

當(dāng)VICTS天線與線極化衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)VICTS天線進(jìn)行極化補(bǔ)償.這樣，就要求VICTS天線具有線極化可調(diào)的能力.在線極化模式，兩個(gè)回折線極化器與極化濾波器的相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系如圖8所示.

圖8 VICTS天線各層相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系(線極化模式)Fig.8 The relative rotation coordinates of each layer of the VICTS antenna(linear polarization mode)

為了驗(yàn)證這種方案的正確性，對(duì)一個(gè)直徑D=100 mm的VICTS天線進(jìn)行了仿真，具體仿真結(jié)果見表1.其中，T1為回折線極化器1與入射電場(chǎng)的相對(duì)夾角，T2為回折線極化器1與回折線極化器2的相對(duì)夾角，T_AP為極化角.

表1 線極化模式下，極化角與回折線極化器之間的關(guān)系

從表1可以看出，當(dāng)在VICTS天線上集成回折線極化器1和回折線極化器2，線極化工作模式下，可以實(shí)現(xiàn)任意極化角的調(diào)整，極化角與T2的關(guān)系近似滿足T1+T_AP=90°，這與預(yù)期吻合.

本文提出了一種新的基于多層回折線結(jié)構(gòu)的VICTS天線極化實(shí)現(xiàn)方式.與傳統(tǒng)極化器不同，該方案首次采用兩個(gè)回折線極化器級(jí)聯(lián)的方式，在一個(gè)VICTS天線上實(shí)現(xiàn)線極化補(bǔ)償功能和線/圓極化轉(zhuǎn)化功能的自由切換.這種設(shè)計(jì)可在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)大俯仰掃描范圍的極化自適應(yīng)匹配，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的不同極化方式，自動(dòng)進(jìn)行匹配/切換，且加工簡(jiǎn)單，易于批量化生產(chǎn).基于本文提出的方案，對(duì)采用兩個(gè)回折線極化器，直徑D=100 mm的VICTS天線進(jìn)行了仿真，分別給出了圓極化模式和線極化模式的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果與預(yù)期非常吻合，證明了這種設(shè)計(jì)的正確性.此外，該方案是首次在VICTS天線中實(shí)現(xiàn)，在其他文獻(xiàn)報(bào)道中未見相關(guān)研究，對(duì)于VICTS天線全極化可調(diào)具有一定的指導(dǎo)意義.