高增益圆极化反射面天线文献综述

 2023-08-10 09:08
  1. 文献综述(或调研报告):

与无线业务密集的低频段(lt;20GHz)相比,毫米波频段的频谱资源十分丰富。但是在毫米波频段,由于电磁波传播路径损耗增大,并且大气衰减和遮挡效应更加明显,因此必须采用具有高增益的天线来提升传输距离和提升信道可靠性[1]。近年来,由于多波束天线可有效提高整个通信系统的容量,导致对多波束天线系统的需求急剧增加,特别实在卫星通信领域。根据实现方式,多波束天线基本可分为:多波束反射面天线,多波束透镜天线,以及多波束阵列天线。多波束阵列天线能够实现大角度波束覆盖,但存在馈电网络复杂、成本高等问题。多波束透镜天线有几个固有的优点,例如它们没有馈电阻塞,对表面畸变引起的相位变化不那么敏感。多波束反射面天线可以用单层结构实现高增益,成本低廉,结构简单[2]。

圆极化具有减轻多径衰落[3],“法拉第旋转”的抗扰性和减少极化不匹配的优点,圆极化(CP)反射阵列在无线通信系统中,尤其是在卫星通信系统中得到了更广泛的应用[4] 。利用级联PGSs构成的TA实现高增益且旋向相反的CP光束,可以采用三种策略[5]。第一种方法是通过照明各向同性双线极化(LP)动态相位(DP)得到CP光束;通过改变单元的几何形状和尺寸,可以改变单元的中心频率,从而在保持高透光率的同事实现不同的传输相位。第二种方法采用具有LP馈电的各向异性双LP-DP单元,TA同时表现为四分之一波长和相位补偿透镜,将输入的LP波转换为一定方向的聚焦CP波束。第三种方法采用了各向异性单元,利用Berry相位,当CP波照射BPTA时,不同旋转角度的单元对共极化CP和交叉极化CP施加了不同的相位延迟。

CP传输系数表示如下:

) (1)

(2)

(3)

) (4)

从(1)可以看出,为了保持从RHCP波到LHCP波的高偏振转换,和需要具有接近统一的幅度和180◦的相位差,即单位单元应该表现为平面透射半波片。公式(2)和(4)表明,晶胞旋转对共极化CP波的传输相位没有影响。重要的是,如(3)所揭示的,来自馈电的正交极化的LHCP波将经历与RHCP波的共轭传输相位。因此,当BPTA被设计成使RHCP波在远场准直到一定方向时,LHCP波将会发散,这意味着极化纯度不会受到馈电的偏振杂质的影响。

在此理论基础之上,符合性能的单元结构为:顶部和底部外层具有相同的贴片形状,以形成垂直对称的结构。外层包含相互连接的薄环形带状网格,中间有一个隔离的补丁。网格的内周是椭圆形的,使得沿x方向,y方向的电感是不同的。中间层由中心带有椭圆形孔的连续铜片组成。单元尺寸p在中心频率处保持在约lambda;/3,这比传统的RAS/TAS的尺寸小,因此提供了更好的相位分辨率。

为了增加波束扫描反射阵列天线的扫描范围[6],我们可以设计一种基于两个焦点的概念的单反射阵列系统,对于这种双馈系统,对应于每个馈电和光束方向的光阑上所需的相位分布可以由下式给出:

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