基于SIW腔体与FSS集成的亚波长单元实现超低F/D比透射阵天线新突破

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Sub-Wavelength Unit-Cell for Ultra-Low F/D Ratio Transmitarray Antenna

本刊编辑推荐：为解决卫星通信中透射阵天线(TA)剖面高、集成难的瓶颈问题，研究团队创新性地提出了一种基于基片集成波导(SIW)腔体与频率选择表面(FSS)集成的亚波长单元。该单元通过SIW腔体的相位反转特性与双配置设计，在12 GHz实现了0.22λ0×0.22λ0的超小周期，并在70°大入射角下仍保持280°相位范围与3 dB插入损耗。基于此单元研制的F/D比低至0.13的400单元TA原型，实测峰值增益达19.58 dBi（口径效率36%），机械扫描范围达±27°，为低剖面卫星通信终端提供了高性能、易集成的天线解决方案。

　　

在卫星通信(SatCom)蓬勃发展的今天，Ku波段和Ka波段因其在带宽、天线尺寸与大气衰减间的良好平衡而备受青睐。透射阵天线(Transmitarray Antenna, TA)作为一种高增益、低剖面、易共形的天线形式，在卫星通信终端中展现出巨大潜力。然而，传统TA的焦距与口径直径之比(F/D)通常需维持在0.5至1之间，以保证单元在馈源大角度照射下性能稳定。这限制了TA在空间受限平台（如小型卫星、无人机、便携终端）上的应用。尽管已有多种技术途径（如多馈源、折叠架构、漏波馈电）尝试降低F/D比，但它们往往伴随着结构复杂、效率低下或成本高昂等问题。其核心挑战在于，当F/D比减小时，馈源对阵列边缘单元的入射角增大，传统单元的性能（特别是传输相位）对入射角极为敏感，导致口径效率急剧下降。因此，开发一种对入射角不敏感的超小型TA单元，成为实现超低剖面TA设计的关键。

在此背景下，意大利卡拉布里亚大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表论文，提出了一种基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)腔体与频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)集成的新型亚波长TA单元。该单元在12 GHz工作频率下实现了0.22λ₀×0.22λ₀的极小区元周期，并展现出对高达70°入射角的卓越稳定性，最终成功研制出F/D比仅为0.13的高效透射阵天线原型。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术：首先，设计了基于SIW腔体和H形缝隙耦合的FSS结构单元，通过等效电路模型(ECM)指导了单元的微型化过程；其次，利用SIW腔体的电场分布特性，通过镜像对称配置实现了360°的相位覆盖；再者，通过全波仿真优化了单元在宽入射角下的传输性能；最后，基于优化的单元设计，加工并测试了由400个该单元组成的TA阵列，并采用线性极化微带贴片天线作为馈源，通过机械位移馈源的方式实现了波束扫描性能的验证。

II. 具有高角度稳定性的单元

该单元采用四层金属、三层介质的PCB结构。接收和发射贴片天线分别位于顶层和底层，通过中间层SIW腔体耦合。关键创新在于利用SIW腔体作为相位反转器，并结合双配置（A和B）设计，将单个配置所需的相位调节范围从360°降至180°，从而降低了单元尺寸。相位控制仅通过调节耦合缝隙的长度实现，简化了设计并提高了角度稳定性。

A. 单元工作原理与小型化

通过等效电路模型分析了单元作为电容耦合带通FSS的工作机理。研究对比了三种不同小型化程度的配置（Case 1, 2, 3）。通过提高SIW腔体和贴片天线自身的谐振频率（f_C和f_P），并增强耦合电容(C_S)，将耦合系统的通带响应拉回至12 GHz，从而实现单元尺寸从0.41λ₀（Case 1）缩减至0.22λ₀（Case 3）。

B. SIW腔体作为相位反转器

与以往利用SIW腔体谐振模式进行滤波的设计不同，本研究将腔体谐振频率上移，使其在12 GHz工作时表现为一段传输线。通过镜像发射贴片和缝隙，产生两种配置（A和B），分别提供180°的相位范围，且两者相位相差180°，从而合成360°的完整相位范围。这种方法有效促进了单元的小型化。

C. 单元相位控制

相位控制通过改变耦合缝隙长度L_slot（即改变耦合电容C_S）实现。结果表明，在12 GHz下，通过调节L_slot从3.1 mm至5.3 mm，可在插入损耗小于3 dB的条件下获得约180°的相位变化。角度稳定性分析显示，Case 3单元在70°入射角下仍能提供280°的相位范围（每个配置140°），表现出极佳的角度稳定性。

III. 加工、测量与结果

为验证设计，研制了400单元、F/D=0.13（F=20.5 mm）的TA原型。TA口径为112 mm × 112 mm（4.48λ₀×4.48λ₀），采用线性极化微带贴片天线作为馈源。

效率分析表明，该设计的口径效率(η_ap)约为40%，是照明效率(η_ill)、溢出效率(η_sp)和传输效率(η_IL)的乘积。

远场方向图测试结果与仿真吻合良好。实测峰值实现增益为19.58 dBi（11.98 GHz），对应口径效率36%。E面和H面半功率波束宽度(HPBW)均为16°，旁瓣电平(SLL)分别约为-17 dB和-20 dB。交叉极化电平低于-28 dB。

对不同F/D比（0.5, 0.3, 0.13）的TA性能进行仿真对比，结果表明所提设计能适应不同的焦距，在F/D=0.5时口径效率可达约60%，展现了其设计的灵活性。

增益带宽测试显示，包含馈源失配损耗时，-1 dB和-3 dB增益带宽分别为5%和9%；排除馈源失配后，则提升至7.5%和13%。

B. 波束扫描性能

通过机械位移馈源沿H面进行波束扫描测试。结果表明，在54°扫描范围内（-27°至+27°），扫描损耗小于3 dB，交叉极化水平始终低于-25 dB。

IV. 结论

本研究成功设计并实验验证了一种集成SIW腔体和FSS的新型亚波长透射阵单元。该单元在12 GHz实现了0.22λ₀的极小尺寸，并通过SIW腔体的相位反转特性和双配置设计，获得了360°的相位范围。单元对 oblique incidence 表现出极低的敏感性，在70°入射角下仍能保持280°相位范围和3 dB插入损耗。基于此单元研制的F/D=0.13的TA原型，实现了19.58 dBi的峰值增益（36%口径效率）和±27°的机械扫描范围。与现有低剖面TA技术相比，该设计在保持单馈源、单层结构的简单性与低成本优势的同时，达到了最低的F/D比，为Ku波段卫星通信终端提供了一种高性能、低剖面、易集成的天线解决方案。未来工作将探索该概念向其他频段的扩展以及电子波束扫描功能的集成。