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)點有機結(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；反射陣通過對每個單元的尺寸、旋轉(zhuǎn)角度或耦合口徑等物理尺寸的設(shè)計而使其對饋源入射的電磁波的反射相位進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而使從反射陣面的反射場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于空間環(huán)境干擾的穩(wěn)定性好、抗干擾性強等特點，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)對抗技術(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^[2，3]，該方法對饋源性能要求較高；(2)采用線-圓極化轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，該方法采用線極化饋源，饋源可選取漸進槽縫線天線(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)計中，空間相位補償參數(shù)與極化控制參數(shù)兩者相互關(guān)聯(lián)，使得兩個正交極化分量的復(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)計與優(yōu)化過程變得復(fù)雜。

    本文提出了一種可以獨立控制兩個正交線極化反射特性的反射陣單元設(shè)計方法。該方法將空間相位補償方式和極化控制方式兩者分離開來，相互獨立互不影響。新型單元設(shè)計過程簡單，有效減少了設(shè)計與優(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，在與電磁波傳播方向正交的平面上，電場矢量的運動軌跡。對于極化角為θ_f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。

    其中，兩個正交極化的相位差Δδ=±π/2分別對應(yīng)左旋圓極化波和右旋圓極化波。為了實現(xiàn)方案中的線-圓極化轉(zhuǎn)換，需要能獨立控制反射波中兩個正交線極化的幅度和相位。這就要求所設(shè)計的反射陣單元能夠獨立地控制兩個正交線極化的復(fù)反射系數(shù)，這樣才能同時滿足空間相位補償和兩個極化間的相位差。值得注意的是，傳統(tǒng)的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣單元，由于兩個極化的反射結(jié)構(gòu)相連，兩個極化間的反射相位會有一定程度的相互影響。這種“非獨立”的單元類型會大大提升設(shè)計和優(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

    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。

    三平行偶極子環(huán)由三個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(ε_r=2.2)；單元通過調(diào)節(jié)三個環(huán)的長度在中心頻點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)計奠定了基礎(chǔ)。

    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線極化入射電磁波分解為兩個獨立的正交線極化，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θ_f=135°，單元兩層間的空氣隙的高度為h_air時，x極化的電磁波會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)；ε_r是金屬柵格地基片的介電常數(shù)。在實際裝配中，兩層間的距離不能過小，為了在11.3 GHz處實現(xiàn)線極化波轉(zhuǎn)右旋圓極化波，取h_air=16.35 mm，此時Δδ=-5π/2。圖3中上下兩層的單元在偶極子長度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)空氣隙高度可以獨立于空間相位補償之外，控制兩個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，一方面可以分別對兩個正交線極化的反射系數(shù)進行控制，金屬柵格地能大大提高兩個極化的隔離度和獨立性；另一方面，該單元能通過改變層間空氣隙的高度來實現(xiàn)兩個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)計和驗證

    為了驗證上文中介紹的線-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。

    線極化的TSA天線作為饋源，其實物照片和中心頻點處的實測方向圖如圖5所示。

    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[9-10]中的方法計算得到。

    為了驗證線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線的性能，對該天線在微波暗室進行了遠(yuǎn)場測量，其中心頻點的歸一化方向圖、軸比、增益曲線的仿真與實測對比見圖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。測試結(jié)果表明，該天線在中心頻點有較好的圓極化純度和交叉極化抑制。

    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。

    對比圖6和圖7的仿真和實測結(jié)果，該線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線在測試過程中，因為加工和裝配誤差導(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償相位值和兩個正交極化相位差值分別由三平行偶極子環(huán)的長度和層間空氣隙的高度來獨立控制，互不影響；這就給下一步的多極化、變極化反射陣設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

    本文提出了一種可以完全獨立控制反射陣單元空間補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、加工并測試了一款工作在X波段的線-圓極化轉(zhuǎn)換反射陣天線。測試結(jié)果表明，該反射陣在中心頻點增益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%。該反射陣驗證了空間補償相位值和正交極化相位差值可以進行獨立控制，為后續(xù)的多極化、變極化反射陣設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

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