空间中心科研人员在宽带圆极化超表面阵列天线研究中取得进展

圆极化天线由于具有抑制法拉第旋转效应、减小雨雾干扰、抗多径干扰等优势，广泛应用于卫星通信、导航和雷达等系统中。在实际应用中高增益天线往往能够满足更多的需求，而阵列技术是实现高增益天线的一种直接有效的方式。与窄带天线相比，宽带天线能使雷达系统具有更好的抗干扰特性，同时提高雷达探测能力。因此，宽带圆极化微带阵列天线凭借其诸多优势成为了近年来的研究热点之一。

图 1 新型宽带圆极化超表面阵列天线示意图

尽管如此，传统微带圆极化天线设计方法产生的圆极化带宽非常有限。圆极化微带天线的带宽主要受到两个因素的限制：首先，微带天线具有较高的品质因素（Q值），而Q值越高，则意味着天线的储能越多，向外辐射的能量越少。同时，天线的Q值与带宽成反比关系；其次，谐振式天线的特性与其电尺寸密切相关，切角的方式仅能够调节中心频率处的正交模，以满足圆极化相应的相移条件。然而，当工作频率偏离中心频率时，切角结构的电尺寸将发生变化，导致难以保持中心频率时的特性。

图 2  阵列天线实物图以及暗室测试环境

为了解决这一技术难题，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室博士研究生柳海鹏与张云华研究员、赵晓雯副研究员提出了一种新型的宽带圆极化超表面阵列天线，该阵列天线具有宽带化、低成本、和低剖面等优势（图1为设计的新型宽带圆极化超表面阵列天线）。该研究提出的宽带圆极化超表面单元能够结合两层超表面的协同作用共同实现宽带特性。同时，超表面单元天线保证在宽频带范围内满足圆极化所需的相移条件，避免复杂的馈电网络设计。此外，针对宽带阵列在高频段出现较高副瓣电平的问题，基于方向图叠加原理提出的寄生切角方环，能够在不额外增加阵列尺寸且不影响阵列其它辐射特性的前提下，降低了阵列在高频段的副瓣电平。该超表面阵列天线具有宽带化、小型化的优点，在一些需要宽带化的小型化雷达系统中具有良好的应用前景；同时，宽带天线能使雷达系统具有更好的抗干扰特性，同时提高雷达探测能力。

图 3  阵列天线|S11|仿真与实测结果

图 4  阵列天线的轴比和增益仿真与实测结果

该研究成果发表在微波天线领域期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上。研究得到了中国科学院国家空间科学中心青年促进会基金（2022148）、国家自然科学基金（61901451）等的支持。

文章链接

H. Liu, Y. Zhang and X. Zhao, "A Wideband Circularly Polarized Antenna Array Loaded With Dual-Layer Metasurface," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 8, pp. 6717-6722, Aug. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3365269.

https://ieeexplore.ieee.org/document/10440036

（供稿：微波室）