基于回折线极化器技术的VICTS天线全极化可调实现

文 忠,袁 龙， 郭庆功

(1.成都国恒空间技术工程有限公司， 成都 610041； 2.四川大学电子信息学院， 成都 610065)

1 引 言

VICTS天线是一种基于连续横向枝节(CTS)概念衍生出来的可用于“动中通”通信的新型无源平板相控阵天线，具有低剖面、高增益、扫描范围大、机械稳定性高、成本低和易于批量制造等优点，特别适合微波和毫米波频段的应用.相对于其他种类的“动中通”通信天线，可适应各种机动平台、跟踪速度快以及扫描范围大的VICTS天线具有先天性的优势.

近年来，学术界对VICTS天线的工作原理和应用方式开展了广泛的研究.文献[1,2]从阵列天线原理出发，建立了VICTS辐射方向图的数学模型，对VICTS天线的工作原理开展了深入的研究.文献[3]提出了一种利用可旋转脊波导缝隙阵列馈电实现波束扫描的VICTS天线方案，可实现±30°的俯仰面波束扫描.文献[4]设计了一个基于馈电层和CTS辐射层相对旋转实现天线辐射的工作于60 GHz的VICTS天线，口径效率可达62%，可实现±60°俯仰面扫描.近年来面向工程应用有学者就VICTS天线的实现方式进行了广泛的探索，设计了多种不同形式的VICTS天线[5-7].但上述研究均未涉及到VICTS天线的极化匹配问题.由于VICTS天线是一种线极化天线，且其极化方向随着波束扫描而改变，在“动中通”应用中，必须设计一个极化层进行VICTS天线的极化补偿或转换.

文献[8]特别设计了一个针对CTS天线的空间极化匹配装置.文献[9,10]基于模式匹配技术和递归T矩阵的线极化旋转器分析方法，采用一种周期金属线形式的极化装置，在各自工作频段实现了超宽频带内的45°极化旋转.文献[11,12]分别基于金属回折线极化器，实现了宽频带的线/圆极化转换.文献[13]提出了一种采用方形环阵列实现线/圆极化转换的可行方案.不过，这些方案均只能够实现一种极化方式，而在某些卫星通信频段，需要终端天线在不更换馈源的前提下，能在线极化和圆极化两种模式中自由切换.因此，要求终端天线既能在线极化模式下工作，又具备圆极化功能，迫切需要一种能够实现线极化和圆极化的自由切换的极化器.

本文提出了一种基于回折线极化器技术的VICTS天线全极化可调的实现方案，采用两个回折线极化器，可在不同工作模式下分别实现线极化和圆极化.为了验证这种方法的正确性，设计了一个工作在Ka频段的全极化可调VICTS天线，Ansoft HFSS的仿真结果达到了设计指标的要求.

全极化可调VICTS天线的结构如图1，它由4个部分组成：一个VICTS天线、一个极化滤波器和两个回折线极化器.

VICTS天线由下层的准TEM波馈电层和上层的辐射单元阵列组成，两个部分通过矩形过渡结构实现耦合.VICTS天线上下两层采用平行波导技术，并不直接接触，通过电机控制，可以很轻易实现一个角度φ的相对旋转，在辐射单元产生相位梯度，从而获得波束扫描能力.

极化滤波器是一种由周期性金属平行线构成的极化选择表面，该结构在Rogers RT5880基板上实现，采用泡沫/蜂窝进行支撑，能够抑制由于VICTS天线旋转而产生的交叉极化分量，提高天线的极化隔离度.

图1 全极化可调VICTS天线结构图

在本天线系统中，采用了两个相同的回折线极化器单元，每一个极化器单元都具备将设计频率的入射线极化波转换为圆极化波的功能.本文所提到的全极化可调正是通过这两个相同回折线极化器单元实现的.

全极化可调VICTS天线是模块化的，各个部分可以分开设计和优化.本文不会对VICTS天线的设计进行详细描述，以下就回折线极化器电路分析与设计、圆极化工作模式和线极化工作模式等几个部分展开研究.

3 回折线极化器电路模型

回折线极化器是一种由金属回折线格栅构成的周期性结构，通常由3到4层级联构成，层间距一般为四分之一个波长，以获得最大的带宽.回折线极化器的主要几何参数包括：层间距d，基板厚度h，金属线宽度t，回折结构宽度w，螺距p以及周期s，如图2所示.

在实际应用中，通常与线极化天线配合使用，能够在宽频带获得优异的轴比性能和驻波性能.此外，可利用标准印制板(Printed Circuit Board,PCB)工艺实现低成本制造.层与层之间一般采用低损耗泡沫、聚氨酯蜂窝或塑料环支撑.回折线极化器是一个各向异性结构，当入射平面波照射到该极化器上时，平行于金属回折线轴线的电场表现为感性，垂直于金属回折线轴线的电场表现为容性.为了实现线极化到圆极化的转化，入射电场必须与回折线轴线呈45°(图3(a)中的x轴)，这样，入射平面波的电场被分解为两个正交的等幅同相分量：E⊥和E‖，其中，⊥和∥分别指垂直和平行于回折线轴线的方向.从成本、插入损耗和带宽综合考虑，回折线极化器一般为三层，等效电路模型如图3(b)所示.在这个电路模型中，没有考虑两个正交极化之间的耦合，这个假设是合理的，因为回折线表面产生的交叉极化很小.图3(b)中的等效电路被设计为传输系数为|τ=1|，传输相位差为90°，这样就能够确保入射线极化波能够无损耗地转换为回折线极化器输出端口处的圆极化波.

图2 回折线极化器几何参数

图3 回折线极化器及其等效电路模型基

为利用图3(b)中的等效电路设计圆极化器，考虑图4描述的通用等效电路模型.其中，b1,b2为归一化导纳，对于电容，归一化电纳为bC=ωCZ0；对于电感，归一化电纳为bL=-Z0/ωL.其中，Z0=377 Ω，为自由空间波阻抗.

图4 单个极化(⊥或∥)电路模型Fig.4 Circuit model of the single(⊥or∥)polarization

为了满足传输系数|τ=1| (或|Γ|=0)，对于一个给定层间距为θ=λ/4的回折线极化器，根据传输线理论并结合回折线极化器的对称性，其等效电路各参数之间的关系可表示为

(1)

yb=ya+jb1

(2)

(3)

b2=-2Im(yc)

(4)

这样，b1和b2的关系可以表示为

(5)

此外，电磁波在通过回折线极化器产生的传输相位差可以表示为

θI=2arctan(b1/2)+arctan(b2/2)

(6)

由圆极化形成条件Δφ=|φ⊥-φ‖|=90°并假设回折线极化器之间的支撑材料的特性阻抗Z1=Z0，就可以求得b1和b2的关系.

一般，为了使回折线的带宽最宽，要求如下.

φ⊥=-45°，φ‖=+45°

(7)

这样，则可得到层间距为λ/4，支撑材料特性阻抗近似等于空气的三层回折线极化器的等效电路参数如下式.

b1⊥,‖=±0.439,b2⊥,‖=±0.736

(8)

为了验证这种电路模型的正确性，设计了一个工作在19.45 GHz的三层回折线极化器.每一层金属回折线图案均被蚀刻在5 mil厚的Rogers RT5880(εr=2.2,tanδ=0.0009)介质基板上以减小损耗，铜厚为tCu=0.035 mm，相邻层之间采用厚度为3.8 mm的Rohacell 71HF泡沫(εr=1.093,tanδ≈0.01)支撑.

采用无限周期阵列理论和Floquet模式展开方法，将圆极化器当作是一个无限周期阵列，运用Ansoft HFSS对该圆极化器进行设计和优化.对每一层金属回折线的尺寸和图案进行单独调整，以从它们的反射系数Γ(⊥,‖)得到它们的归一化导纳b(⊥,‖).不过，在对回折线极化器进行设计时，需要有以下考虑：首先，为了避免栅瓣的产生和更高的Floquet模式的传输，每一个金属回折线表面的晶格单元必须选择足够小；其次，在极化器设计过程中没有考虑层与层之间的耦合，即使只有TE00和TM00两个模式传播，当更高阶消逝模在相邻层的位置电平足够高的情况下，也会对极化器的响应产生影响.这样，通过减小晶格单元尺寸来增加高阶模式的衰减显得尤其重要；最后，相邻表面越近，高阶模式对于极化器的响应影响越大.因此，在对回折线极化器的每一层进行单独设计后，需要对完整的极化器进行数值仿真和优化，以获得预期的响应.完整的三层回折线极化器晶格单元如图5所示.

图5 三层回折线极化器晶格单元模型

图6为入射电磁波斜入射时，回折线极化器的轴比性能，从图6可以看出，当斜射角在T=0～70°变化时，轴比可在17.7～21.2 GHz的范围内保持在3 dB以下，可确保在VICTS进行波束扫描时的极化匹配.

当需要VICTS天线工作在圆极化时，将两个回折线极化器切到圆极化模式，它们与极化滤波器的相对旋转坐标关系如图7所示.

图6 回折线极化器轴比性能(17.7～21.2 GHz)

图7 VICTS天线各层相对旋转坐标关系(圆极化模式)Fig.7 The relative rotation coordinates of each layer of the VICTS antenna(circular polarization mode)

5 线极化模式

当VICTS天线与线极化卫星进行通信时，需要对VICTS天线进行极化补偿.这样，就要求VICTS天线具有线极化可调的能力.在线极化模式，两个回折线极化器与极化滤波器的相对旋转坐标关系如图8所示.

图8 VICTS天线各层相对旋转坐标关系(线极化模式)Fig.8 The relative rotation coordinates of each layer of the VICTS antenna(linear polarization mode)

为了验证这种方案的正确性，对一个直径D=100 mm的VICTS天线进行了仿真，具体仿真结果见表1.其中，T1为回折线极化器1与入射电场的相对夹角，T2为回折线极化器1与回折线极化器2的相对夹角，T_AP为极化角.

表1 线极化模式下，极化角与回折线极化器之间的关系

从表1可以看出，当在VICTS天线上集成回折线极化器1和回折线极化器2，线极化工作模式下，可以实现任意极化角的调整，极化角与T2的关系近似满足T1+T_AP=90°，这与预期吻合.

本文提出了一种新的基于多层回折线结构的VICTS天线极化实现方式.与传统极化器不同，该方案首次采用两个回折线极化器级联的方式，在一个VICTS天线上实现线极化补偿功能和线/圆极化转化功能的自由切换.这种设计可在宽频带内实现大俯仰扫描范围的极化自适应匹配，根据卫星信号的不同极化方式，自动进行匹配/切换，且加工简单，易于批量化生产.基于本文提出的方案，对采用两个回折线极化器，直径D=100 mm的VICTS天线进行了仿真，分别给出了圆极化模式和线极化模式的仿真结果，仿真结果与预期非常吻合，证明了这种设计的正确性.此外，该方案是首次在VICTS天线中实现，在其他文献报道中未见相关研究，对于VICTS天线全极化可调具有一定的指导意义.