新型開口方環FSS圓極化器的研究與設計

袁良昊　湯煒

【摘 要】本文基于開口方形環FSS，設計了一款用于將線極化波轉換為圓極化波的新型圓極化器。圓極化器由雙層FSS構成，其周期單元為開口方環形結構，并在其中加入串聯雙H型耦合枝節。隨后利用有限元仿真軟件HFSS對圓極化器參數進行仿真和優化，結果顯示圓極化器3dB軸比帶寬達到了25.6%，其中870MHz-1080MHz頻帶內軸比都小于2dB，S21都維持在-1.7dB以上。

【關鍵詞】開口環；圓極化；軸比

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

圓極化波因其具有比線極化波更好的抗干擾性和多徑收發特性，而被廣泛的應用于遙感測繪、天文探測、雷達掃描、無線通信及電視廣播等領域。[1]產生圓極化波方式一般可分為四種：單饋法[2]、多饋法[3]、多元法[4]和圓極化器法[5]，單饋天線是指單端口饋電，采用簡并模分離法，通過微擾產生兩個輻射正交極化的簡并模；多饋天線就是利用多個饋電點來激勵多個正交簡并模的方式來實現圓極化；多元天線則是在多個單元中激勵出幅度相等、相互正交的信號來實現天線的圓極化；而圓極化器天線一般由線極化天線和FSS[6]組成，線極化天線發出的線極化波可以分解為水平分量和垂直分量，圓極化器FSS能對這兩個分量產生不同的傳輸特性，使線極化波在透過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，從而實現天線的圓極化特性.實現圓極化功能的FSS單元有多種形式，如耶路撒冷十字型[7]、折線型[8]、開口環型[9]等。開口環圓極化器由于其自身結構簡單，圓極化效果好等優點，而成為研究熱點。

本文提出的新型圓極化器，在傳統開口方環FSS中加入新型耦合枝節，即在單一水平耦合枝節的基礎上，再加入四個縱向耦合枝節，形成串聯雙H型耦合枝節開口方環FSS，以實現更好的圓極化性能，在較寬的頻帶內實現圓極化，同時實現更好的阻抗匹配[10]。

1 圓極化基本原理

如圖1所示，當線極化入射波沿z軸方向傳播（即垂直于圓極化器），且電場極化方向與x軸成45°夾角的方式射入圓極化器時，入射波可以分解成兩個大小相同的正交分量，即：

2 開口環圓極化器對比分析

本文借鑒了文獻[9]圓開口環加條狀耦合枝節的FSS模型，但考慮到方形開口環可與耦合枝節保持固定距離，耦合強度比圓形開口環要大，有利于縮小圓極化器的體積和層數，故本文采用方形開口環模型。另外，加入不同形狀的耦合枝節，對透射波的x分量和y分量的影響效果也不同，此時透射波的的x分量和y分量所產生的相位差度數也不同，故即使在采用相同大小、厚度、介電常數的介質基板的情況下不一定都能產生90°的相位差。此處將單一橫向耦合枝節、加入兩個縱向耦合枝節和串聯雙H型耦合枝節的三種不同圓極化器在同等條件下加以對比。圖3表明，三種不同形狀周期單元的圓極化器產生相位差有一定差距。圖中可以看出僅由一橫向耦合枝節和加入兩個縱向耦合枝節的圓極化器，所產生的相位差明顯小于加入串聯H型耦合枝節圓極化器所產生的相位差，也未達到產生圓極化所需的90°相位差，不可能在同等條件下實現圓極化。相比之下，采用串聯雙H型耦合枝節的圓極化器，能在較寬的工作頻帶內穩定的產生90°相位差，實現線極化波到圓極化波的轉換。

3 圓極化器結構與分析

圖4為單層周期單元的俯視圖和側視圖，采用介質基板為常規的FR4，厚度h為1.5mm，介電常數εr為4.4，正切損耗角tanδ=0.02。如圖5所示，圓極化器模型在開口環x軸方向加入串聯的雙H型耦合枝節。通過H型耦合枝節與開口方環在x軸方向上形成耦合電感，使透射波的x軸分量比y軸分量超前90°的相位，從而將線極化波轉化為圓極化波。

通過分析，本文給出針對x方向和y方向電場通過該圓極化器的等效電路圖，如圖5和圖6所示。其中

L1和C1代表未開口的完整方環的串聯諧振電路，Csh和Csv分別代表水平和垂直開口處邊緣所形成的電容，Rx、Cy和Lx是模型中串聯的雙H型耦合枝節部分的等效電路，Rs為將介質板考慮在內的其等效傳輸線模型（由于電磁波在介質層中傳播而介質會對電磁產生損耗，因而等效為電阻Rs）。而圓極化器的等效電路是將層與層之間的空氣考慮在內的，兩個單層等效電路級聯所構成的。

電抗可以改變透射波的傳輸相位，當電抗為容性時，會使傳輸相位滯后；當電抗為感性時，會使傳輸相位超前。故x軸分量的傳輸相位會比y軸分量超前。

經過優化后，能在850MHz-1100MHz內實現圓極化的模型的具體尺寸如表1所示。

4 仿真結果

本文利用仿真軟件HFSS對所圓極化器進行設計和優化仿真。從圖7可以看出本文設計的圓極化器可以在850MHz-1100MHz內產生穩定的90°相位差。圖8和圖9分別展示的是x軸極化分量和y軸極化分量在單層和雙層單元模型時透射系數。單層結構和雙層結構都在工作頻帶內保持了-3dB以上的透射系數，也即意味著線極化波作為入射波通過FSS時，絕大部分能量均透過FSS，由于雙層單元結構的兩層之間還有一定高度的空氣層，其兩層之間會形成一個諧振腔，提高電磁波傳輸效率，因而雙層單元結構的透射系數比單層單元結構的透射系數要好。

本文提出一種新型結構的圓極化器，圓極化器的FSS周期單元由開口方環和雙H型串聯耦合枝節組成，單元尺寸小于半個波長。該圓極化器是近場圓極化器，圓極化器與饋源之間的距離遠遠小于波長。以喇叭天線作為饋源時，可直接將該圓極化器置于喇叭饋源口平面處，則將線極化喇叭轉換為圓極化喇叭，且增益無明顯衰減，能實現更好的阻抗匹配。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]