一種毫米波圓極化折疊透射陣天線的設(shè)計方法

折疊透射陣天線（Folded transmitarray antenna）通常由饋源、底層轉(zhuǎn)極化表面以及頂層相位調(diào)制陣列結(jié)構(gòu)組成。相較于傳統(tǒng)的反射陣或透射陣天線，折疊透射陣天線通過引入兩次光路折疊極大地降低了天線的剖面尺寸，具有低剖面、極化純凈度高、易于集成等優(yōu)勢。目前，大多數(shù)折疊透射陣天線通常工作于線極化狀態(tài)下，且使用喇叭天線或波導(dǎo)作為饋源不僅增加了重量，還需要占用額外的空間，一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用價值。此外，由于需要設(shè)計底層和頂層兩塊超表面也增加了天線研發(fā)過程的復(fù)雜度。基于此，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高的高效圓極化折疊透射陣天線仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

本課題組近期提出了一種毫米波圓極化折疊透射陣天線的設(shè)計方法，只需一種超表面結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的圓極化選擇型透反雙功能超表面對于左旋圓極化（LHCP）入射波具有轉(zhuǎn)極化透射聚焦功能，而對于右旋圓極化（RHCP）入射波則可以實(shí)現(xiàn)同極化鏡面反射。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合集成了平面圓極化微帶貼片饋源天線的底層金屬反射板，最終實(shí)現(xiàn)了圓極化高增益波束輻射功能。為了探索所提出的折疊透射陣天線在5G無線通信中的應(yīng)用，我們選擇毫米波FR2頻段作為天線工作頻段。得益于底層全金屬反射面天然地對圓極化電磁波具有轉(zhuǎn)極化全反射特性，所提出的折疊透射陣天線峰值口徑效率為43.1%，3-dB增益帶寬為15.8%。天線整體剖面尺寸為1.23λ，高度-口徑比（H/D）僅為0.17，具有明顯的低剖面特征，在對系統(tǒng)集成度要求較高的衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測、無線通信等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果以“Polarization-Selective Bifunctional Metasurface for High-Efficiency Millimeter-Wave Folded Transmitarray Antenna With Circular Polarization”為題發(fā)表于《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》（DOI:10.1109/TAP.2022.3168746）。南京大學(xué)博士研究生楊維旭為本文第一作者，陳克副教授與馮一軍教授為論文的共同通信作者，本課題組的趙俊明教授、姜田教授也參與了工作。

圖1 毫米波圓極化折疊透射陣天線示意圖。

圖2 所加工樣品及測試環(huán)境圖片。（a）組裝完成的折疊透射陣天線樣品；（b）測試場景。

圖3 圓極化折疊透射陣天線仿真及測試結(jié)果。（a）折疊透射陣天線在中心頻率27.7 GHz處的二維遠(yuǎn)場方向圖；（b）折疊透射陣天線方向性系數(shù)、增益以及軸比隨頻率變化曲線。

審核編輯 ：李倩