【新文速递20250226】一种能够独立控制波束的宽带高效率自解耦折叠透射阵

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文章来源于TAP：https://ieeexplore.ieee.org/document/10645759

1.摘要

高增益圆极化折叠透射阵列由于其显著的优势而获得大量关注。然而，以往的研究主要集中在生成单一圆极化高增益波束。左圆极化(LHCP)和右圆极化(RHCP)的同时自动生成和调控能力，例如自旋角动量解耦(SAM)，一直吸引着大量研究者的兴趣。这篇通讯提出了一种高增益SAM解耦的折叠透射阵，其显著特点为其较宽的带宽、高效率以及低剖面设计，并且成功实现了独立的LHCP和RHCP的波束调控。为了验证设计的准确性，一个SDFTA样机进行了加工和实测，实测结果表明与仿真结果吻合度高。测试结果展现了LHCP和RHCP的3dB增益衰减带宽分别为21.8%和22.4%。其3dB轴比带宽分别为21.9%和30.4%。峰值口径效率分别为26.9%和20.9%。值得强调的是我们的设计标志着一种创新的突破，打破了传统折叠透射或者折叠反射阵列只能产生和控制单个频点单种圆极化波束的限制。

2.核心内容

所设计的SDFTA结构示意图如下所示，由一个极化隔离透射栅(PTG)和极化转换反射器(PCR)以及一个波导线极化馈源组成，其中PTG用来实现LHCP和RHCP波束的解耦。由馈源辐射的X线极化电磁波经过PTG后反射到PCR上，并被转换为Y线极化波反射到PTG，并被调制相位后透射成圆极化电磁波。该过程历经两次反射，因此根据镜像原理，其折叠的路径为焦距直达的路径，所以天线剖面降低到焦距的1/3。

另外一个核心内容是PTG实现了双圆极化自解耦策略的创新，创新性的采用两个透射超表面在纵向进行堆叠放置，PTG的一个单元如下图所示。上层透射单元为常规的基于极化栅的极化转换透射单元，通过其中间层的工字型谐振单元来调控传播相位；而下层透射单元也为常规的接收-辐射型透射单元，通过旋转下层接收贴片实现传播相位的调控。

由于传播相位针对两种圆极化是同向变化，而几何相位针对两种圆极化是反向变化，因此可以有如下关系，可见根据预设计的左/右圆极化可以计算得到某一个单元所需要的几何相位$\Phi$和传播相位$\theta$，通过调节两个模型的关键结构，即可实现同一个单元对两种圆极化的不同透射相位控制，从而实现双圆极化的解耦。
$$\begin{gathered} \Phi =\frac{1}{2}({\phi }_L+{\phi }_R) \\ \theta =\frac{1}{2}({\phi }_L-{\phi }_R) \end{gathered}$$

3.实验结果

根据相位补偿计算公式分别计算两个圆极化波束偏转角度，左/右圆极化的俯仰和方位偏转角度分别为(20,180)和(20,0)，因此可以计算出几何相位$\Phi$和传播相位$\theta$如下图。

得到如下实验结果，两种圆极化均实现对应的波束偏转角度，并且轴比性能良好，交叉极化电平和副瓣电平低，具备宽带特性。

实测-10dB阻抗带宽为：23.1–33.6 GHz (37%)，增益变化小于3 dB的LHCP和RHCP波束的实测带宽分别为21.8% （26.6 ~ 33.1 GHz）和22.4% （26.5 ~ 33.2 GHz）。联合- 3-dB增益带宽为21.8%，为LHCP波束和RHCP波束的交集。AR小于3 dB的LHCP和RHCP波束的实测带宽分别为21.9% （26 ~ 32.4 GHz）和30.4% （24.5 ~ 33.3 GHz）。