宽带折叠传输阵天线

本文介绍了一款基于多层频率选择表面的宽频带折叠传输阵天线。该天线包含上层加载线极化栅的平面传输阵面、下层宽带极化扭转反射表面以及平面微带贴片阵列馈源。首先，提出并设计了一款加载线极化栅的三层双环传输阵单元，它可以反射一种线极化波，同时透射另一种与之正交的线极化波。其次，设计了一款宽带反射型极化扭转单元，它可以把一种线极化波扭转为与之正交的另一种线极化波。由于线极化栅和反射型极化扭转单元的存在，上层传输阵面与下层极化扭转反射阵面之间的距离缩减为等效馈源与平面传输阵之间距离的三分之一。最后，加工制作该折叠传输阵。实测结果显示，该天线获得了7%的1-dB增益带宽，天线在中心频点21 GHz处获得了最大增益23.8 dBi，辐射效率为39%。

现代通信系统对作为其关键部件的天线提出了越来越高的性能要求，使其朝着小型化、低剖面、多功能、高集成度的方向发展。尽管传输阵天线作为一种新型的高增益天线已经引起了国内外学者的广泛关注，但由于其采用空馈形式，导致其剖面过高，严重限制了其应用范围。与折叠反射阵不同的是，折叠传输阵由于其传输阵面在馈源的上方，其纵向高度比折叠反射阵的更低，因此对折叠传输阵天线展开深入研究，具有重要的理论意义和工程应用前景。

基于透镜天线理论， Pozar 等人第一次提出了平面传输阵天线的概念[1]。

之后， 各种各样的传输阵天线被设计出来。例如，多层频率选择表面堆叠技术被用来设计传输阵天线单元，可以增加传输阵天线的带宽[2] [3]。此外，另一种被称为“接收–传输”模式的机制也被用来设计传输阵天线[4] [5]。然而，这些传统的传输阵天线都具有较高的剖面，严重限制了其在某些小型化系统中的集成与应用。最近，一些致力于降低传输阵天线的纵向剖面的方法被设计出来，主要包括以下两类：第一类是通过降低天线单元的剖面来降低传输阵天线的高度[6] [7]。例如，一款使用“Malta”十字结构的双层传输阵单元被设计出来，其剖面仅有0.14 个工作波长[6]。第二类天线通过减小馈源与阵面之间的距离来降低传输阵天线的高度[8] [9] [10]。例如，通过使用极化扭转传输阵单元使得馈源与阵面之间的距离减小为原来焦距的1/3 或者1/4 [8] [9]。然而，这些单元的设计过程较为复杂，且整个天线由于采用喇叭天线作为馈源使得整个天线的体积庞大，不适合小型化趋势。

不同于以前传统的折叠传输阵天线，本文提出的一种宽带可折叠传输阵天线设计，通过在传统的频率选择表面基础上加载线极化栅，实现了传输阵天线的折叠功能，极大降低了传统传输阵的纵向剖面高度，此外，采用平面微带馈源实现了传输阵天线的小型化设计。

2. 天线设计 2.1. 工作原理 如图1(a)所示，传统的传输阵天线包含一个馈源和一个传输阵面。馈源发出的球面波经过传输阵面后，被转化为平面波辐射到自由空间中去。较大的焦径比增加了传输阵的纵向高度，限制了其应用范围。折叠传输阵天线的结构示意图如图1(b)所示。该天线包含一个加载线极化栅的传输相移表面，