A multi-frequency circularly polarized metasurface antenna array based on quarter-mode substrate integrated waveguide for sub-6 applications

A miniaturized multi-frequency circularly polarized array is designed in this paper. The antenna array is composed of three independent sub-arrays employing modified quarter-mode substrate ntegrated aveguide (QMSIW) to achieve three circularly polarized frequency bands. By introducing strip-slot, the impedance bandwidth of the antenna array is broadened while the dimension is decreased by 75% to realize miniaturization. Meanwhile, metasurface causes the impedance bandwidth of the sub-array to be further enhanced. Moreover, the metal vias are employed in the antenna array design to further achieve miniaturization. The antenna array is manufactured and measured to verify the design. Both the measured and simulated results display that the array achieves the impedance bandwidths of 10%, 11.7%, and 14.8% and axial ratio bandwidths of 8.8%, 8.0%, and 8.5% at 2.5, 3.5, and 4.8 GHz, respectively. The gain is stable in the operating band within an uncertainty of 0.7 dBi. The whole dimension is 0.92λ×0.63λ×0.04λ, where λ₀ is the wavelength at the lowest resonant frequency. Furthermore, the simple structure and miniaturization provides great convenience in sub-6 applications.     

高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计

提出了一种由新型Vivaldi天线单元构成的22十字交叉圆极化天线阵。Vivaldi天线单元采用边缘渐变对拓的锯齿结构,提高了天线在4.7～7.0 GHz频带内的增益,其反射系数低于-10 dB的带宽为2.4～11.0 GHz,具有超宽带线极化特性。圆极化天线阵测量结果显示,在4.5～7.0 GHz频带范围内,其轴比均低于3 dB,且整个频带范围内增益达11～13 dBi。     

Characteristic mode analysis of wideband high-gain and low-profile metasurface antenna

A wideband high-gain and low-profile metasurface antenna is proposed by analyzing characteristic quantities and parameters in the characteristic modes(CMs). The detailed modal current and modal weighting coefficient are analyzed to explain the broadband operation and high gain. A dominant characteristic mode is well excited, leading to a broadband operation. The mode behaviors of the excitation are changed to suppress the unwanted higher-order modes and improve the radiation performance by changing the widths of two patches. The measured impedance bandwidth for-10 dB is 39.8%(5.3 GHz–7.94 GHz) with a gain of 7.8 dBi–10.04 dBi over the operating bandwidth.     

基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计

基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.     

基于极化旋转超表面的圆极化天线设计

本文通过设计出一种反射型极化旋转超表面,在8—12 GHz频域内实现高效的极化旋转,并将其加载于微带缝隙天线下方构成新型的极化旋转超表面天线,利用超表面的90°极化旋转效应,成功实现了天线的圆极化辐射调制.仿真与实验结果表明:圆极化天线的中心工作频率为GHz,阻抗带宽为8.3—10 GHz.当微带缝隙天线与极化旋转超表面的间距H=4.5mm时,天线在8.3—8.8 GHz频带内实现了圆极化辐射;当mm时,天线在8.8—9.3 GHz频带内实现了圆极化辐射;当=8mm时,天线在9.3—10 GHz频带内实现了圆极化辐射.实验结果与仿真结果相符,证明了此种设计方法的有效性,也为微带缝隙天线的圆极化设计提供了一种新的途径.     

二维宽带相位梯度超表面设计及实验验证

针对圆极化波, 通过同极化反射超表面结构单元的空间排布, 设计实现了一种二维非色散高效相位梯度超表面. 同极化反射相位可以通过同极化反射超表面结构单元金属线的面内旋转来自由调控. 实现的相位梯度超表面可对左右旋入射波产生相反的相位梯度. 当线极化波入射到超表面上时, 反射波被分为两束向相反方向传播的圆极化波. 仿真了线极化波垂直入射时的反射功率密度谱, 仿真结果与理论上设计的异常反射方向一致. 制作了厚度为2 mm的超表面样品, 测试了其镜面反射率曲线. 实验结果表明, 线极化波垂直入射时, 超表面在9.5-19.0 GHz的镜面反射率降至-5 dB以下.     

一种高增益低雷达散射截面的新型圆极化微带天线设计

设计了一种基于人工电磁材料覆层的高增益低雷达散射截面(radar cross section, RCS)圆极化微带天线. 人工电磁材料覆层是由介质板及其两侧的人工周期表面构成, 上表面是加载集总电阻的方环贴片, 具有宽带吸波特性; 下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片, 具有部分反射特性. 将其加载到圆极化微带天线上方, 通过覆层上表面的电阻可吸收入射的雷达波, 结合下表面与接地板构成Fabry-Perot谐振腔的多次反射, 可实现圆极化微带天线辐射和散射性能的同时改善. 实测结果表明: 加载人工电磁材料覆层后, 天线的相对轴比带宽由5.9%扩展为7.1%; 天线增益在整个工作频带内都得到了提升, 最大提高了6.61 dB; 天线RCS在宽频带宽角域内实现了明显的减缩, 在天线工作频带内也实现了3 dB以上减缩. 实测结果与仿真结果符合较好.     

基于超材料角反射面的高增益高效率双圆极化Fabry-Perot天线设计

基于射线跟踪模型,提出了一种超材料角反射面结构,实现了Fabry-Perot天线增益和口径效率的提升.首先对基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线进行了理论推导和分析.然后,设计并分析了双圆极化馈源、基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线及其性能.最后,对所提出的Fabry-Perot天线模型进行了制造和测试.结果表明,该天线的左圆极化增益和右圆极化增益分别为21.4 d Bi和21.3 d Bi.相比馈源天线,增益分别提高了16.4 d B和16.3 d B.与传统Fabry-Perot天线相比,所提出超材料角反射面同时充当了反射面和相位校正面,实现了对Fabry-Perot天线边缘电磁波的有效调控.所设计Fabry-Perot天线工作在2.8 GHz频段,具有高增益、高口径效率和低旁瓣的优点,满足了太阳射电望远镜F107指数观测的需求.     

圆极化高温超导微带天线阵

一个用于直接广播卫星(DBS)系统的圆极化和单一馈电网络的四单元高温超导微带天线阵,被设计和制造在一个0.5毫米厚的氧化镁衬底上,中心频率是12.2GHz。为了比较,一个天线是采用金膜制造的,另一个是采用超导薄膜钇钡铜氧(YBCO)制造的。为了提高圆极化阵的轴比特性,运用连续旋转的技术。效率、方向性、回波损耗和带宽分别在室温和液氮温度下被测试。采用超导薄膜钇钡铜氧(YBCO)制造的阵表现很好的圆极化特性,并且在温度为77K下时的增益比室温时的金膜天线阵大1.64dB。在谐振频率12.24GHz时回馈损耗为-30.6dB并且总的有效带宽大约为3.52%。这个结果显示当高温超导体用于微带天线阵时,能提高天线阵的效率。     

X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。     

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.     

A 60-GHz Wideband Slot Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide Cavity

This paper proposes a new wideband W-band substrate integrated waveguide (SIW) cavity-backed slot (CBS) antenna. The SIW cavity suppresses the backward radiation and ensures this antenna have a very low profile (only about 4% of the operating wavelength). Several techniques, such as slot resonator with semicircular end, quarter-wavelength microstrip resonator, are introduced to improve impedance matching. The studied results demonstrate that this antenna has wide operating bandwidth in 54.3–67 GHz (about 20.9% of the fractional bandwidth), unidirectional radiation pattern and good linear polarization characteristic. These properties are very suitable for RF front-end system-on-package (SoP) design in millimeter wave wireless communication systems. This work was supported by the National Nature Science Foundation of China (60501011, 90505001), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No. 20060614005) and the Creative Research Team Program of UESTC.     

L波段高功率线极化径向线阵列天线理论分析与数值模拟

 探索了L波段的高功率线极化径向线阵列天线。基于三角形栅格形式实现了径向线圆形平面阵列天线,分析并给出了径向线并联馈电网络,并以同轴馈电的水平单圆环线极化天线为基础,利用径向线并联馈电网络设计出了间距小于一个波长下L波段高功率线极化径向线阵列天线。研究结果表明：这种结构实现径向线阵列天线的线极化辐射是可行的,该天线在中心频率1.57 GHz下,增益为19.97 dBi,轴比为-52.06 dB,反射系数为0.105 2;在1.37～1.77 GHz的频率范围内增益大于18.64 dBi,轴向轴比值小于-46.45 dB。     

圆极化波反射聚焦超表面

基于圆极化波入射条件下的高效同极化反射超表面实现了对圆极化反射波相位的自由调控, 设计了一维圆极化波反射聚焦超表面. 在中心频率f=16 GHz附近, 右旋圆极化平面波入射时, 反射波聚焦于焦距L=200 mm的实焦点; 左旋圆极化波入射时, 反射波近似聚焦于焦距L=-200 mm的虚焦点. 仿真计算得到聚焦波束的波束宽度、焦深. 结果表明, 这种圆极化反射聚焦超表面具有很好的聚焦效果, 同时具有长焦深和宽带特性.     

高极化纯度的超表面透镜设计与应用

针对超表面在透镜方面的应用,基于各向异性超表面单元设计了一款高极化纯度的聚焦超表面透镜,并探讨了其在高增益高极化纯度天线方面的应用.设计了一款具有极化滤波特性的各向异性超表面单元,单元对x极化波保持高透性的同时,对y极化波保持近乎为零的透射率.利用该型单元设计了焦距为30 mm、阵列大小为105 mm×105 mm、单元数为21×21的聚焦超表面透镜.根据光路可逆原理,焦点处发出的球面波被超表面透镜有效转化为平面波,从而达到提高天线增益的目标.实验中分别用不同极化形式的球面波照射聚焦超表面来研究超表面对不同极化波的控制特性.结果表明,x极化波照射时,超表面工作于透镜模式,球面波转化为平面波,天线增益大大提高;y极化波照射时,超表面类似于金属板,将入射波全部反射;x/y极化混合波照射时,天线增益大大提高,且极化隔离度高于25 dB,充分说明设计的聚焦超表面在提高x极化波增益的同时可高效滤除y极化波,达到了高增益高极化纯度的目标.     

W波段基片集成波导缝隙阵天线的研究

介绍了一种低成本高效率的W波段4×4基片集成波导(SIW)缝隙阵天线。天线阵为双层结构,上层为辐射层,采用宽边纵向偏移缝隙驻波阵,可以实现高的辐射功率,下层为馈电层,采用SIW串联缝隙馈电方式,减小了传统功分网络带来的传输损耗和实现难度。对天线阵进行了优化设计,采用标准低成本PCB工艺制作了天线阵实物样品并进行测试。测试结果与仿真结果吻合较好,天线阵在94 GHz时,最大增益为16.8 dB,反射系数-30.1 dB,-10 dB带宽为92.6~96 GHz,副瓣电平19.5 dB,天线阵口径效率为83%。     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

基于双层超表面的宽带、高效透射型轨道角动量发生器

提出一种宽带、高传输效率的双层超表面,其单元结构是在介质层两边对称刻蚀结构参数相同的十字型金属贴片且将两层超表面沿y方向错位半个周期长度形成.通过引入y方向的错位,双层超表面的透射带宽得到大幅度提升.同时,采用等效电路理论分析了该双层超表面的带宽展宽机理.在此基础上,进一步结合Pancharatnam-Berry相位原理,实现了宽带轨道角动量波束生成器.实验和仿真结果表明,在11-12.8 GHz的频率范围内,器件能够将左旋圆极化波转换为携带轨道角动量的右旋圆极化波.     

Ultra-broadband and high-efficiency polarization conversion metasurface with multiple plasmon resonance modes

In this paper, we present a novel metasurface design that achieves a high-efficiency ultra-broadband cross polarization conversion. The metasurface is composed of an array of unit resonators, each of which combines an H-shaped structure and two rectangular metallic patches. Different plasmon resonance modes are excited in unit resonators and allow the polarization states to be manipulated. The bandwidth of the cross polarization converter is 82% of the central frequency,covering the range from 15.7 GHz to 37.5 GHz. The conversion efficiency of the innovative new design is higher than 90%.At 14.43 GHz and 40.95 GHz, the linearly polarized incident wave is converted into a circularly polarized wave.     

基于极化转换超表面的宽带低雷达散射截面缝隙天线阵

提出了一种利用极化转换超表面(PCM)来缩减雷达散射截面(RCS)并保持缝隙天线阵列辐射特性的新型天线,在不影响天线性能的情况下实现了天线的宽带RCS缩减。该PCM由45°倾斜的开槽矩形贴片周期排布构成,它被放置在缝隙阵列天线的上表面,起到RCS缩减的功能。分析了RCS缩减的特点和原理,仿真和实验结果表明,带有PCM的缝隙天线阵在x极化和y极化波冲击下,单站RCS缩减带宽为8.0～21.8 GHz。同时天线的辐射特性在阻抗带宽、增益和辐射模式等方面都能保持良好性能。