通过自旋-动量锁定实现的高性能圆偏振天线

《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》：Superior Circularly Polarized Antenna via Spin-Momentum Locking

提出基于虚假表面等离子体（SSPs）和自旋-动量锁定（SML）的高纯度圆极化辐射方法，通过仿真和实验验证，在13.4–14.0 GHz频段实现平均轴向比1.48 dB，实验值0.99 dB，显著优于现有设计，并具备扫描时的极化保真性。

　　

摘要：

圆极化（CP）辐射在现代无线通信和雷达系统中至关重要，然而传统的CP天线设计往往受到可调性有限、结构复杂以及对微小偏差高度敏感的制约。本文提出了一种实现高纯度CP辐射的通用方法，该方法利用了衰减波固有的自旋动量锁定（SML）现象。通过设计一种有效的耦合机制来促进伪表面等离子体（SSPs）的辐射，这种方法规避了许多传统CP天线设计中的结构复杂性和潜在敏感性问题。为了验证这一概念，本文提出了一种低矮的CP天线，并通过对结构配置的系统性探索，获得了关于如何优化增益增强或极化纯度的见解。仿真结果显示，在13.4–14.0 GHz频段内实现了高纯度的CP辐射，平均轴比（AR）为1.48 dB，最小轴比为0.25 dB。实验结果也证实了这些发现，平均轴比为0.99 dB，显著优于现有设计。此外，该天线架构在波束扫描过程中表现出良好的极化保真度。这项工作为开发基于基本波动物理的简化且高性能的CP天线树立了一个范例，对先进的无线通信和雷达系统具有重要意义。

引言

在当今的无线通信领域中，天线在各种应用中都占据了至关重要的地位，如无线通信[1]、雷达[2]、检测[3]、医学成像[4]等。不断增长的需求推动了众多新型天线的诞生。与此同时，圆极化（CP）天线因其优于线极化天线的特性而受到了广泛关注，这些特性包括动态极化匹配[6]、抗多径干扰[7]、减少“法拉第旋转”引起的极化损耗[8]、多用户通信[9]、全向性[10]等。目前，CP天线由于其卓越的特性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]成为研究的焦点。已经出现了多种类型的CP天线，包括印刷CP天线[16]、[17]、[18]、介质谐振器CP天线[19]、基板集成波导（SIW）CP天线[20]、[21]、[22]、[23]、螺旋CP天线[24]、[25]、[26]、超表面[27]、[28]、[29]等。尽管CP天线在各个领域表现出色且种类繁多，但它们仍面临带宽限制、结构复杂、调谐灵活性差以及小型化需求巨大的挑战。虽然螺旋环天线能够在不使用反射器的条件下实现方向可控的半球形辐射，但其庞大的三维结构限制了其在平面和紧凑系统中的集成和适应性[31]。传统的泄漏波天线通过简单的调谐和直接的馈电网络可以提供右旋和左旋辐射，并具有高增益潜力，但由于需要降低损耗，其制造成本正在上升[32]。此外，超表面在辐射操控方面提供了更大的自由度，并能够实现可配置的极化状态，但它们在结构复杂性和可调性方面也存在挑战[33]。尽管取得了各种进展，现有的天线架构通常无法同时满足结构简单、宽调谐范围、紧凑的平面配置和高纯度圆极化的要求，而这些对于下一代通信系统来说都是至关重要的。这一限制凸显了一个关键的技术缺口，必须在实际应用之前得到解决。为了应对这些挑战，需要创新策略，而伪表面等离子体（SSPs）由于其强烈的限制作用、低矮的外形、最小的损耗以及独特的电场分布，提供了一个有前景的解决方案。