基于极化扭转器的宽带全金属可折叠反射阵天线

本文提出了一种基于极化扭转器的新型宽带全金属折叠反射天线。为了提高简单性和降低成本，本设计专注于1Bit相移的架构。全金属折叠反射阵天线包含全金属极化栅格、基于全金属极化扭转器的宽带全金属反射阵单元以及宽带标准波导馈源。首先，本文提出了一种简单的全金属极化扭转反射阵单元，它可以将入射波扭转为与之正交的反射波。所提出的全金属极化扭转单元在12~18 GHz全频段内极化扭转率超过80%。工作在Ku波段的宽带标准波导作为该可折叠反射阵的馈源。最后，基于所提出的全金属极化扭转单元，设计、制作宽带全金属折叠反射天线并对其进行测试。测试结果表明，该全金属折叠反射阵天线获得20%的1 dB增益带宽，在15 GHz时的峰值增益为22.5 dBi，最大孔径效率约为29%。该天线的宽带和全金属特性使其在卫星通信中具有很大的应用潜力。

近年来，在射电天文学、雷达探测和卫星通信等领域，对高增益天线的需求日益增加。传统的高增益天线主要由阵列天线和抛物面天线组成。尽管抛物面天线具有高增益和宽带的优点，但由于体积大， 不便于运输和安装以及对加工精度要求极高，导致成本增加等缺点，严重限制了其在这些领域的发展。

微带阵列天线虽然具有低剖面、结构紧凑等优点，但需要复杂的馈电网络，影响了天线阵列的辐射效率。

反射阵天线作为一种新型的高增益天线，结合了传统抛物面天线和天线阵列的优点，具有体积小、重量轻、加工简单、成本低、易于实现波束扫描等优点。与微带阵列相比，反射天线采用空间馈电，避免了馈电网络带来的损耗，提高了天线的效率[1] [2] [3]。反射阵天线经过多年的发展，在带宽、极化、增益等性能方面都有了很大的提高。传统反射阵天线通常采用印刷电路板(PCB)技术设计各种高性能天线[4] [5] [6] [7] [8]。但是，当阵列尺寸增大时，介质基板的成本将非常昂贵。此外，对于卫星通信而言，在恶劣的空间环境中引入介电材料会导致天线性能下降。为了防止辐射和热应力对天线的影响，可以在天线上加装天线罩，但同时会增加天线的重量、体积和成本。为了解决这些问题，使用全金属反射天线是较好的替代方案之一。近年来，国内外学者对全金属反射天线进行了较为详细的研究。到目前为止，各种高性能的全金属反射阵天线已经在[9] [10] [11] [12] [13]中被提出。例如，针对低成本的全金属反射阵天线，提出了一种新型的缝隙可重生单元，该反射阵天线获得了12.8%的1 dB 增益带宽和53.8%的最大孔径效率。

文献[10]报道了一种工作频率为20 GHz 的圆极化全金属反射阵天线， 其1 dB 增益带宽为6.8%， 3 dB 轴比带宽为的32.5%。

然而，目前全金属反射阵天线的纵向剖面过高，其在许多方面的应用受到限制，如加工装配及与其他平台的集成。

近年来， [14]-[20]对如何减小反射阵天线剖面进行了一些研究， 但仍局限于使用介质PCB技术，对低剖面全金属反射阵天线的研究较少。因此，本文在传统反射阵天线的基础上，设计了一款全金属折叠反射阵天线。