一種毫米波圓極化折疊透射陣天線的設(shè)計(jì)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(guò)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(shì)。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(jià)值。此外，由于需要設(shè)計(jì)底層和頂層兩塊超表面也增加了天線研發(fā)過(guò)程的復(fù)雜度。基于此，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)方法，只需一種超表面結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的圓極化選擇型透反雙功能超表面對(duì)于左旋圓極化（LHCP）入射波具有轉(zhuǎn)極化透射聚焦功能，而對(duì)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(wú)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(duì)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(duì)系統(tǒng)集成度要求較高的衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)、無(wú)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(cè)試環(huán)境圖片。（a）組裝完成的折疊透射陣天線樣品；（b）測(cè)試場(chǎng)景。

圖3 圓極化折疊透射陣天線仿真及測(cè)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(chǎng)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