一种基于导纳叠加原理的平面发射阵列天线，具备极化转换功能

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A planar transmit-array antenna with polarization conversion based on admittance superposition

提出了一种基于多层数字开环谐振器的平面传输阵列天线，利用 admittance 调制方法实现极化转换、波前控制和多波束生成，适用于安全通信和多目标识别。

　　

秦梦泽|庞伟|贾一婷|刘大伟

北京航空航天大学电子与信息工程学院，中国北京市海淀区学院路37号，邮编100191

摘要

平面发射阵列天线在波前控制方面具有巨大潜力，但在被动、紧凑的设计中实现极化转换和多功能集成仍然具有挑战性。本文提出了一种采用导纳调制方法设计的平面发射阵列天线，该天线能够实现极化转换。所提出的单元单元基于Ku波段的多层方形开环谐振器，在相同极化的波照射下，可以实现高前向透射率和高后向隔离度，并具备极化转换功能。通过利用导纳的矢量调制特性，该阵列能够实现复杂的波束形成。我们通过仿真和实验验证，所设计的阵列能够在近场生成单一的非衍射贝塞尔波束。此外，该方法的多功能性还体现在通过导纳调制合成了双波束阵列。这种设计为开发用于安全通信和多目标识别的紧凑型多功能天线提供了有效途径。

引言

由于成本低廉且结构平面，被动发射阵列天线在波束控制方面得到了广泛研究[1]、[2]。传统上，这些阵列依赖移相元件来补偿空间相位延迟，从而实现波束聚焦和偏转等功能[3]、[4]。同时，极化操控通常通过基于超材料的极化器[5]、[6]或手性结构[7]、[8]分别实现。

尽管大多数现有设计将波前控制和极化转换视为独立的功能，往往需要级联层或额外组件，这增加了复杂性和成本[9]、[10]、[11]。然而，这些设计通常仅支持单波束模式，缺乏生成多波束的灵活性。另一方面，虽然已经使用多馈电配置[12]或复杂的相位优化[13]实现了多波束发射阵列，但它们很少同时结合极化转换。

导纳调制作为一种强大的工具，最近被提出用于将单元单元的物理几何结构与其电磁响应联系起来[14]。通过将表面导纳视为矢量量（类似于阻抗调制[15]），它可以精确合成所需的散射参数，甚至允许多波束设计的叠加[16]。然而，这一概念主要在反射型超表面中得到了探索，将其扩展到具有极化转换的发射阵列仍是一个未解决的挑战。

在本文中，我们提出了一种平面发射阵列，以解决这些难题。设计了一种方形开环谐振器单元单元，使其在Ku波段的特定极化入射波下表现出优异的传输性能，并能够实现交叉极化转换。同时，建立了一个导纳调制框架，将单元几何结构定量映射到其完整的散射矩阵，从而实现了超越传统仅相位控制方法的精确波前控制。仿真和实验结果均验证了所提出的设计，显示出良好的一致性。此外，导纳的矢量叠加特性首次在发射阵列中得到应用，用于合成双贝塞尔波束，展示了一种系统化且可扩展的多波束生成方法。

部分摘录

导纳调制

导纳调制可以关联贴片的尺寸和形状、贴片的导纳值以及散射参数，并使用级联公式求解特定散射参数下的导纳值。然后将其与阵列单元模型的仿真数据结合，以获得对应于不同贴片导纳值的贴片尺寸参数。导纳调制的简化模型如图1所示。

图1

发射阵列的设计与仿真

为了实现集成极化转换、波前控制和多波束发射的阵列，首先需要设计一个具有强大传输和极化转换性能的单元。接下来，为了验证该单元的波前控制能力，应生成一个贝塞尔波束作为概念验证。最后，利用导纳调制方法设计一个能够发射双波束的阵列。

实验结果

该阵列的整体结构由四层铜贴片和三层介电材料组成，所选介电材料为F4B265（相对介电常数2.65，10 GHz时的损耗正切0.002）。在物理制造过程中，介电片的初始状态是一层上附着两个铜贴片。当使用三层介电材料时，除了蚀刻特定形状的四层贴片外，还必须完全去除剩余的两层。

结论

本文提出了一种平面发射阵列，它在被动结构中集成了极化转换和波前操控功能，解决了紧凑型天线设计中多功能集成的挑战。

本工作有三个核心贡献。首先，提出了一种新型的方形开环谐振器单元单元，该单元具有非对称结构，无需外部偏压即可在Ku波段实现交叉极化转换。其次，建立了一个导纳调制框架

CRediT作者贡献声明

秦梦泽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，研究。庞伟：撰写 – 审稿与编辑，研究。贾一婷：撰写 – 审稿与编辑，研究。刘大伟：项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（62271027）的支持。