采用螺旋顺序旋转技术的宽轴比扫描圆极化阵列

《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》：Wide Axial Ratio Scanning Circularly Polarized Arrays Using Spiral Sequential Rotation Technique

　　

摘要：

本文介绍了一种采用螺旋式顺序旋转技术设计的宽3 dB轴比扫描圆极化天线阵列。首先，设计了一种单层中心馈电微带天线作为辐射元件，该天线具有宽轴比波束宽度且辐射图案对称。该元件由带有O型槽的圆形贴片和多个扇区组成，这有助于显著提升辐射图案的对称性。此外还添加了四个寄生单元以进一步拓宽3 dB轴比波束宽度。实验结果表明，该元件的高度极低，仅为0.04λ，且3 dB轴比波束宽度超过195°。其次，基于所设计的元件，提出了采用子阵列级顺序旋转技术的阵列结构，该结构能有效解决高交叉极化问题，从而显著改善轴比波束扫描性能。目前已制作出8×8结构的ASSR-S原型，实验结果显示，该阵列在D平面上的3 dB轴比扫描角度可达±55°，且交叉极化水平较低。由于所设计元件的辐射图案对称，在55°波束转向角下，E面、D面和H面的波束增益变化均控制在0.8 dB以内。宽3 dB轴比扫描角度、低交叉极化水平、极低高度、均匀的辐射图案以及中心馈电技术带来的规则子阵列排列等优点，使得所提出的ASSR-S成为卫星应用领域的理想选择。

I. 引言

构建宽角度扫描圆极化阵列的有效方法之一，就是设计具有宽轴比波束宽度且辐射图案对称的天线元件。交叉偶极子天线虽然能实现宽波束宽度[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，但很难做到低高度。微带天线因其低高度而具有优势，人们还提出了多种多层结构及复杂的馈电方式来拓宽轴比波束宽度[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，多层结构在太空的高低温环境下存在分层风险。另一种有效方法是通过合理的阵列排列来实现，比如采用顺序旋转技术[17]、[18]、[19]、[20]。但是，当从侧面方向调整波束时，D平面上会出现难以接受的交叉极化现象[21]。随机顺序旋转技术[22]、[23]、[24]或非规则顺序旋转技术[25]虽然能改善交叉极化问题，但由于天线馈电点位置不规则，通常需要极其复杂的馈电网络。螺旋式顺序旋转技术则可以解决这一问题[26]，但目前仅研究了采用周期性螺旋式顺序旋转子阵列的阵列结构，对于大规模阵列的设计策略和特性仍缺乏研究。