圓極化天線由于具有抑制法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、減小雨霧干擾、抗多徑干擾等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和雷達(dá)等系統(tǒng)中。在實(shí)際應(yīng)用中高增益天線往往能夠滿足更多的需求，而陣列技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高增益天線的一種直接有效的方式。與窄帶天線相比，寬帶天線能使雷達(dá)系統(tǒng)具有更好的抗干擾特性，同時提高雷達(dá)探測能力。因此，寬帶圓極化微帶陣列天線憑借其諸多優(yōu)勢成為了近年來的研究熱點(diǎn)之一。

圖 1 新型寬帶圓極化超表面陣列天線示意圖

盡管如此，傳統(tǒng)微帶圓極化天線設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的圓極化帶寬非常有限。圓極化微帶天線的帶寬主要受到兩個因素的限制：首先，微帶天線具有較高的品質(zhì)因素（Q值），而Q值越高，則意味著天線的儲能越多，向外輻射的能量越少。同時，天線的Q值與帶寬成反比關(guān)系；其次，諧振式天線的特性與其電尺寸密切相關(guān)，切角的方式僅能夠調(diào)節(jié)中心頻率處的正交模，以滿足圓極化相應(yīng)的相移條件。然而，當(dāng)工作頻率偏離中心頻率時，切角結(jié)構(gòu)的電尺寸將發(fā)生變化，導(dǎo)致難以保持中心頻率時的特性。

圖 2? 陣列天線實(shí)物圖以及暗室測試環(huán)境

為了解決這一技術(shù)難題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生柳海鵬與張?jiān)迫A研究員、趙曉雯副研究員提出了一種新型的寬帶圓極化超表面陣列天線，該陣列天線具有寬帶化、低成本、和低剖面等優(yōu)勢（圖1為設(shè)計(jì)的新型寬帶圓極化超表面陣列天線）。該研究提出的寬帶圓極化超表面單元能夠結(jié)合兩層超表面的協(xié)同作用共同實(shí)現(xiàn)寬帶特性。同時，超表面單元天線保證在寬頻帶范圍內(nèi)滿足圓極化所需的相移條件，避免復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。此外，針對寬帶陣列在高頻段出現(xiàn)較高副瓣電平的問題，基于方向圖疊加原理提出的寄生切角方環(huán)，能夠在不額外增加陣列尺寸且不影響陣列其它輻射特性的前提下，降低了陣列在高頻段的副瓣電平。該超表面陣列天線具有寬帶化、小型化的優(yōu)點(diǎn)，在一些需要寬帶化的小型化雷達(dá)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景；同時，寬帶天線能使雷達(dá)系統(tǒng)具有更好的抗干擾特性，同時提高雷達(dá)探測能力。

圖 3? 陣列天線|S11|仿真與實(shí)測結(jié)果

圖 4? 陣列天線的軸比和增益仿真與實(shí)測結(jié)果

該研究成果發(fā)表在微波天線領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上。研究得到了中國科學(xué)院青年促進(jìn)會基金（2022148）、國家自然科學(xué)基金（61901451）等的支持。

文章鏈接

H. Liu, Y. Zhang and X. Zhao, "A Wideband Circularly Polarized Antenna Array Loaded With Dual-Layer Metasurface," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 8, pp. 6717-6722, Aug. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3365269.

https://ieeexplore.ieee.org/document/10440036

（供稿：微波室）