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圆柱共形圆极化串馈微带天线阵列设计研究

作者及发表信息
本研究由Stanislav Ogurtsov与Slawomir Koziel（IEEE高级会员）合作完成，两位作者均来自冰岛雷克雅未克大学工程学院。研究成果发表于《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》2020年2月第68卷第2期。

学术背景
研究领域与动机
该研究属于微波天线设计领域，聚焦于共形天线阵列（conformal antenna array）的圆极化（Circular Polarization, CP）性能优化。传统平面微带阵列在曲面（如圆柱体）上应用时，因几何形变会导致波束指向偏移和极化纯度下降。现有解决方案多依赖相位调节网络，但此类设计会增加电路复杂度，尤其在高频（如毫米波）或小型化场景中面临制造公差敏感性问题。本研究提出了一种通过精确控制单元间距实现波束聚焦与圆极化的方法，避免了额外电路引入。

理论基础
研究基于以下关键技术：
1. 串馈微带阵列（series-fed microstrip array）的旅行波操作模式，通过调整单元间距控制相位分布。
2. 圆柱共形几何模型的射线追踪分析，推导出单元间距与辐射器间距的解析方程。
3. 圆极化生成机制：通过两辐射器间λg/4（设计频率下的导波波长）间距产生90°相位差，但共形结构需重新计算该间距以补偿曲面效应。

研究流程与方法

1. 设计流程概述
研究分为六个核心步骤：
- 步骤1：通过传输线计算器或全波仿真（如CST MWS）获取微带基板的传播常数βg和等效介电常数εg。
- 步骤2：基于圆柱半径rc和-2π相邻单元相位差要求，解析模型计算阵列单元间距sn。
- 步骤3：针对-π/2辐射器相位差要求，计算每个CP单元内两辐射器的间距lrn。
- 步骤4：通过电磁仿真优化辐射器尺寸（vr, wr, ur），确保无阻抗变换器时的辐射与反射特性。
- 步骤5：为每个单元设计λ/4阻抗变换器（尺寸stn, ltn, wtn），补偿因lrn偏离λg/4导致的反射恶化。
- 步骤6：基于上述参数建立共形阵列全波模型并仿真验证。

2. 关键模型与算法
- 共形孔径射线追踪模型：
通过方程βgsn ± β0Δn = 2π（左/右单元符号相反）推导单元间距sn，其中Δn为自由空间路径差。该模型将曲面几何转化为相位补偿问题，最终得到间距计算公式（见原文式3）。
- CP单元辐射器间距模型：
引入有效介电常数εg修正，通过方程βg(lrn− + lrn+) ± β0(Δn− + Δn+) = π/2（式4-5）计算lrn，确保共形结构下仍能生成圆极化波束（式6）。

3. 实验验证
设计案例为X波段（10 GHz）10单元左旋圆极化（LHCP）阵列，采用Rogers RO3010基板（εr=10.2，厚度0.635 mm）。通过CST MWS仿真显示：
- 波束聚焦：共形阵列主瓣方向性达12.3 dBi，较未优化间距的平面阵列提升显著（图7）。
- 轴比（AR）优化：主瓣方向AR在9.55–10 GHz频段内低于1.5 dB（图17），优于平面阵列1 dB。
- 效率与带宽：辐射效率典型值为旅行波阵列水平（图10），阻抗带宽约4%（图11）。

4. 加工与实测
制作原型并测试（图12），实测反射系数与辐射方向图与εr=10.8的仿真结果吻合（图13-16），验证了模型的鲁棒性。

主要结果与结论

1. 创新性成果
- 解析模型有效性：提出的间距计算公式（式3、6）成功解决了共形阵列的波束偏转与极化退化问题，无需相位调节器。
- 性能验证：实测主瓣AR<1.5 dB、方向性12.3 dBi，表明该方法适用于高频小型化共形天线设计。
- 制造兼容性：仅通过微带线尺寸调整实现性能优化，避免了对高精度元件（如通孔、开关）的依赖。

2. 科学价值
- 为共形串馈阵列提供了一种低复杂度设计范式，尤其适合毫米波应用。
- 提出的射线追踪模型可扩展至其他曲面（如锥形、球形）天线设计。

3. 应用前景
该技术可用于无人机载天线、车载雷达等需要曲面集成的场景，其紧凑性与免相位调节特性降低了系统复杂度和成本。

研究亮点
1. 方法创新：首次通过纯几何尺寸设计实现共形阵列的波束聚焦与圆极化，避免了传统相位加权网络的局限性。
2. 跨学科模型：结合射线追踪与传输线理论，建立了共形阵列的通用解析设计框架。
3. 实测验证：通过X波段原型机验证了模型在高介电常数基板上的适用性，解决了各向异性基板带来的仿真挑战。

其他价值
研究还指出，该方法可进一步结合优化算法（如多目标优化）用于旁瓣抑制、带宽扩展等高性能需求场景（第VI节），为后续研究提供了方向。

（报告总字数：约1800字）