双频带宽角度极化转换器设计
- 研究背景和意义
现代卫星通信系统对高速大数据传输的需求使得对天线工作带宽的要求越来越高。对于K/Ka波段卫星通信，它应覆盖两个工作频段，接收在17.7~21.2GHz，发射在27.5~31GHz[2]，且考虑到正交极化可以达到两个信号最好的隔离度，这两个频段的极化模式应该是正交的。与线极化波相比，圆极化波具有较好的特性。圆极化波对多径衰落有较低的灵敏度，对法拉第旋转或接收器天线的方向也有较低的灵敏度[3],所以在卫星通信中多使用圆极化波。
产生圆极化波的方法有两种，一种是使用复杂馈电网络的圆极化天线，另一种是使用线极化天线和线圆极化转换器结合来产生圆极化波[1]。由于圆极化天线馈电网络复杂，在高频下难以设计，所以多采用线极化天线和线圆极化转换器的结合方式，因此双频带宽角度线-圆极化转换器成为高速卫星通信的关键器件之一。
极化转换器是各向异性介质的平板，它能够将给定偏振的入射波转换为不同偏振的反射波或透射波。平面极化转换器通常使用频率选择表面或其他类型的周期结构来实现[3]。许多复杂的几何结构被用于设计实现宽带、单波段线极化到圆极化转换器，例如多层曲折线结构[2]。
频率选择表面是一种周期性的结构，由很多谐振单元在平面上周期排列而成，对特定频率的电磁波有频率选择特性[4]，当FSS的单元结构参数与某一频率的电磁波匹配时，这一频率的电磁波将会被全部透射（单元结构为缝隙型开槽结构），或者全部反射（单元结构为介质上金属贴片结构），不匹配的电磁波会被全部反射或者透射[14]-[15]。
本课题主要研究在双频段完成线极化到圆极化转换的极化转换器，低频段完成线极化到左旋圆极化转换，高频段完成线极化到右旋圆极化转换，并考虑其宽角特性，以满足现代卫星通信的高速数据传输需求。
- 国内外发展现状
在线圆极化转换器的研究上，早在1963年就由学者进行设计研究[5]，1973 年，L.Young 等人在文献[6]中提出了一种曲折线结构的极化转换器，该极化转换器由若干印制电路板组成，其中印制电路板上刻有铜折线，可以实现x频段上轴比优于1.5dB 的圆极化转换效果。2015年， Fei等人提出了一种新型的单层线-圆偏振片[8]，采用一种对频率和入射角变化不敏感、偏振变换效率高的混合曲折线环结构，得到了轴比小于3db的频率范围为18～29GHz，插入损耗约为3dB的偏振片，该设计将AR带宽提高到46.8%，且其斜入射角高达30°。2019年，Hong Bin Wang等人提出一种基于单层介质基片的双频线-圆极化变换器[9]，采用等效电路模型（ECM）对转换器进行设计，转换器的元件由具有两个相同金属层的单个衬底构成，每层由一个连接的耶路撒冷十字和一个“I”型偶极子组成，该变换器覆盖了K/Ka波段卫星通信的两个工作频段，可在K波段产生左旋圆极化波，在Ka波段产生右旋圆极化波，具有较高的变换效率和较低的偏振消光比。2020年，Hong Bin Wang等人提出了一种基于单层介质基片的宽带宽角度线-圆极化变换器[1]，转换器由一个金属带交叉支撑，金属带水平居中位于另一个金属层上，该设计达到了3dB的AR带宽正入射时74%和55°入射角时54%的结果。
与多层线圆极化转换器相比，单层线圆极化转换器具有重量轻、成本低、易于制作等优点，但由于单层线圆极化转换器采用单谐振结构，其带宽窄、插入损耗大[1]。此外，如果单层偏振器产生一个完美的圆极化场，它也会产生一个与透射场振幅相同的反射场，也就是说单层转换器的效率被限制在50%。这个问题可以用多层偏振器很容易地解决，虽然这样的解决办法增加了偏振器的总厚度[13]。多层线圆极化转换器包括被金属条平分的分裂环[11]、与贴片结合的弯曲线[7]、电容贴片和感应线栅[3]以及复合交叉和金属条[12]。
关于多层线圆极化转换器设计的研究，在2012年，M.-A. Joyal 等人提出了一种基于传输线电路理论的圆偏振器建模与设计的简单方法[7]，提出了两种设计。第一种是窄带，相对带宽为4.88%（8–8.4 GHz），扫描范围宽plusmn;70°，第二种设计可用于更宽的工作频带（相对带宽为75%，范围为5-11 GHz），扫描角度高达plusmn;15°。文献[11]中提出了基于分裂环谐振器的多层转换器，该设计由四层组成，工作频率范围为25.5～36.5GHz，入射角高达25°时，轴比小于3dB。2016年，美国威斯康星大学的学者提出了一种基于宽频带多层频率选择表面（FSS）的极化转换表面[3]，该表面能够在8-12GHz频段上将沿着 45°极化入射的线极化波透射成圆极化波，且它对plusmn;45°斜入射角度内都有稳定的极化转换效果。2018年, C.Lin在文献[16]中提出了一种两层结构的透射型极化转换表面，并将其放置于喇叭天线的开口处，实现线极化波到圆极化波的转换，该极化转换表面能实现带来7.4%的3dB轴比带宽。2019年Xiao jun Huang等人提出了一种基于同心矩形排列的双波段超表面来控制线极化和圆极化电磁波的极化[10]，该装置可以实现两个独立的线-圆偏振之间的完全转换，在4.40-5.30GHz和9.45-13.60GHz两个宽频带内将线极化波的极化方向转换为交叉方向，为其它双频超表面器件的设计打下了基础。
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