新型开口方环FSS圆极化器的研究与设计

袁良昊　汤炜

【摘 要】本文基于开口方形环FSS，设计了一款用于将线极化波转换为圆极化波的新型圆极化器。圆极化器由双层FSS构成，其周期单元为开口方环形结构，并在其中加入串联双H型耦合枝节。随后利用有限元仿真软件HFSS对圆极化器参数进行仿真和优化，结果显示圆极化器3dB轴比带宽达到了25.6%，其中870MHz-1080MHz频带内轴比都小于2dB，S21都维持在-1.7dB以上。

【关键词】开口环；圆极化；轴比

Research and Design of A Novel Circularly Polarization Converter Based On Split-Rectangle-Ring FSS

YUAN Liang-hao TANG Wei

（College of Information Science and Engineering， Huaqiao University， Xiamen Fujian 361021，China）

【Abstract】We design a novel circularly polarization converter based on split-rectangle-ring FSS， which can convert linearly polarized wave into circularly polarized wave. This converter is consisted of two layers FSS and its unit cell is an H metallic patch as a coupling stub surrounded with a split-rectangle-ring. Its simulation results show that its 3dB axis ratio bandwidth is about 25.6% and the frequency band where AR is below 2dB is from 870MHz to 1080MHz. Moreover the S21 is above -1.7dB.

【Key words】Split-ring； Circular polarization； Axial ratio

圆极化波因其具有比线极化波更好的抗干扰性和多径收发特性，而被广泛的应用于遥感测绘、天文探测、雷达扫描、无线通信及电视广播等领域。[1]产生圆极化波方式一般可分为四种：单馈法[2]、多馈法[3]、多元法[4]和圆极化器法[5]，单馈天线是指单端口馈电，采用简并模分离法，通过微扰产生两个辐射正交极化的简并模；多馈天线就是利用多个馈电点来激励多个正交简并模的方式来实现圆极化；多元天线则是在多个单元中激励出幅度相等、相互正交的信号来实现天线的圆极化；而圆极化器天线一般由线极化天线和FSS[6]组成，线极化天线发出的线极化波可以分解为水平分量和垂直分量，圆极化器FSS能对这两个分量产生不同的传输特性，使线极化波在透过FSS后，得到幅度近似相等、相位相差±90°的水平分量和垂直分量，从而实现天线的圆极化特性.实现圆极化功能的FSS单元有多种形式，如耶路撒冷十字型[7]、折线型[8]、开口环型[9]等。开口环圆极化器由于其自身结构简单，圆极化效果好等优点，而成为研究热点。

本文提出的新型圓极化器，在传统开口方环FSS中加入新型耦合枝节，即在单一水平耦合枝节的基础上，再加入四个纵向耦合枝节，形成串联双H型耦合枝节开口方环FSS，以实现更好的圆极化性能，在较宽的频带内实现圆极化，同时实现更好的阻抗匹配[10]。

1 圆极化基本原理

如图1所示，当线极化入射波沿z轴方向传播（即垂直于圆极化器），且电场极化方向与x轴成45°夹角的方式射入圆极化器时，入射波可以分解成两个大小相同的正交分量，即：

2 开口环圆极化器对比分析

本文借鉴了文献[9]圆开口环加条状耦合枝节的FSS模型，但考虑到方形开口环可与耦合枝节保持固定距离，耦合强度比圆形开口环要大，有利于缩小圆极化器的体积和层数，故本文采用方形开口环模型。另外，加入不同形状的耦合枝节，对透射波的x分量和y分量的影响效果也不同，此时透射波的的x分量和y分量所产生的相位差度数也不同，故即使在采用相同大小、厚度、介电常数的介质基板的情况下不一定都能产生90°的相位差。此处将单一横向耦合枝节、加入两个纵向耦合枝节和串联双H型耦合枝节的三种不同圆极化器在同等条件下加以对比。图3表明，三种不同形状周期单元的圆极化器产生相位差有一定差距。图中可以看出仅由一横向耦合枝节和加入两个纵向耦合枝节的圆极化器，所产生的相位差明显小于加入串联H型耦合枝节圆极化器所产生的相位差，也未达到产生圆极化所需的90°相位差，不可能在同等条件下实现圆极化。相比之下，采用串联双H型耦合枝节的圆极化器，能在较宽的工作频带内稳定的产生90°相位差，实现线极化波到圆极化波的转换。

3 圆极化器结构与分析

图4为单层周期单元的俯视图和侧视图，采用介质基板为常规的FR4，厚度h为1.5mm，介电常数εr为4.4，正切损耗角tanδ=0.02。如图5所示，圆极化器模型在开口环x轴方向加入串联的双H型耦合枝节。通过H型耦合枝节与开口方环在x轴方向上形成耦合电感，使透射波的x轴分量比y轴分量超前90°的相位，从而将线极化波转化为圆极化波。

通过分析，本文给出针对x方向和y方向电场通过该圆极化器的等效电路图，如图5和图6所示。其中

L1和C1代表未开口的完整方环的串联谐振电路，Csh和Csv分别代表水平和垂直开口处边缘所形成的电容，Rx、Cy和Lx是模型中串联的双H型耦合枝节部分的等效电路，Rs为将介质板考虑在内的其等效传输线模型（由于电磁波在介质层中传播而介质会对电磁产生损耗，因而等效为电阻Rs）。而圆极化器的等效电路是将层与层之间的空气考虑在内的，两个单层等效电路级联所构成的。

电抗可以改变透射波的传输相位，当电抗为容性时，会使传输相位滞后；当电抗为感性时，会使传输相位超前。故x轴分量的传输相位会比y轴分量超前。

经过优化后，能在850MHz-1100MHz内实现圆极化的模型的具体尺寸如表1所示。

4 仿真结果

本文利用仿真软件HFSS对所圆极化器进行设计和优化仿真。从图7可以看出本文设计的圆极化器可以在850MHz-1100MHz内产生稳定的90°相位差。图8和图9分别展示的是x轴极化分量和y轴极化分量在单层和双层单元模型时透射系数。单层结构和双层结构都在工作频带内保持了-3dB以上的透射系数，也即意味着线极化波作为入射波通过FSS时，绝大部分能量均透过FSS，由于双层单元结构的两层之间还有一定高度的空气层，其两层之间会形成一个谐振腔，提高电磁波传输效率，因而双层单元结构的透射系数比单层单元结构的透射系数要好。

本文提出一种新型结构的圆极化器，圆极化器的FSS周期单元由开口方环和双H型串联耦合枝节组成，单元尺寸小于半个波长。该圆极化器是近场圆极化器，圆极化器与馈源之间的距离远远小于波长。以喇叭天线作为馈源时，可直接将该圆极化器置于喇叭馈源口平面处，则将线极化喇叭转换为圆极化喇叭，且增益无明显衰减，能实现更好的阻抗匹配。

【参考文献】

[1]Kajiwara A.Line-of-sight indoor radio communication using circularly polarized waves[J]. IEEE Trans. Veh. Technol，1991，44（3）：487-493.

[2]Lee C S， Nalbandian V. Planar circularly polarized microstrip antenna with single feed[J].Antennas and Propagation IEEE Transactions， 1999，47（1）：1005-1007.

[3]GUO Yong-Xin，BIAN Lei，SHI Xiang-Quan.Broadband Circularly Polarized Annular-Ring Microstrip Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（8）：2474-2477.

[4]Jazi M.N， Azarmanesh M.N. Design and implementation of circularly polarized microstrip antenna array using a new serial feed sequentially rotated technique[J]. IEEE Proceedings on Microwaves， Antennas and Propagation，2006，153（1）：133-140.

[5]Young L， Robinson L， Hacking C. Meander-line polarizer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propa，1973，21（3）：376-378.

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[8]Joyal M， Laurin J. Analysis and design of thin circular polarizers based on meander lines[J].IEEE Transactions on Antennas Propag， 2012，60（6）：3007-3011.

[9]Lourdes M L， Jorge R C， Jose I et al. A Multilayer Circular Polarizer Based on Bisected Split-Ring Frequency Selective Surfaces[C].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014：13.

[10]Balanis C A. Antenna Theory： Analysis and Design[M].NY：John Wiley & Sons，2005：20-35.

[責任编辑：朱丽娜]