基于多层移相表面的低剖面双宽带双圆极化反射阵研究
一、 作者、机构与发表信息
本项研究由东南大学毫米波国家重点实验室的童宣丰、蒋之浩（通讯作者）、李远、吴凡，中兴通讯移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室的彭林，以及Apple Inc.的岳泰伟共同完成。研究成果以题为《A Low-Profile Dual-Broadband Dual-Circularly-Polarized Reflectarray for K-/Ka-Band Space Applications》的论文形式，于2024年发表在期刊《Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering》（《信息与电子工程前沿》）第25卷第8期上。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于天线与微波技术领域，具体聚焦于反射阵（Reflectarray, RA）天线设计，旨在满足未来卫星通信（特别是高通量卫星）对高性能天线的迫切需求。随着地面通信网络向三维立体网络（融合地面基站与低、中、高轨卫星）演进，实现全球高速无线覆盖成为趋势。在此背景下，采用“四色复用”方案的多波束卫星通信系统能够有效抑制波束间干扰，该系统要求天线孔径能够同时支持双频段（如K/Ka波段）和双圆极化（右旋圆极化，RCP；左旋圆极化，LCP）的独立波束赋形。传统相控阵天线成本高、损耗大，而反射阵天线因其设计灵活、效率高、成本低、重量轻等优点，成为空间应用的理想选择。
尽管已有研究报道了双频或双圆极化反射阵，但能同时实现双宽带、双圆极化且具有低剖面特性的反射阵设计仍然是一个挑战。先前的研究要么带宽窄（通常小于10%），要么剖面厚度大（超过0.5倍低频波长λl），限制了其实用性。因此，本研究的目标是设计、制造并验证一种新型的共享孔径（Shared-Aperture）双宽带双圆极化反射阵。该反射阵需在K波段（~19 GHz）和Ka波段（~31 GHz）均能独立控制RCP和LCP波束，并实现超过20%的联合增益与轴比带宽，同时将整体剖面厚度控制在约0.1λl以内，以适用于对体积和重量敏感的空间平台。
三、 详细研究流程
本研究遵循了从单元设计、馈源设计到系统集成与测试的完整流程。
1. 反射阵单元设计与分析 这是研究的核心，旨在设计出能在两个频段独立提供双圆极化相位补偿的单元结构。 * 研究目标与结构：设计一种多层移相表面单元，尺寸为5 mm × 5 mm（约Ka波段半波长），总厚度为1.6 mm（约19 GHz的0.1λl）。单元内交错排列（Interleaved）了分别工作在K波段（黄色）和Ka波段（绿色）的两组十字偶极子元件。这些偶极子印刷在Taconic TLY-5介质基板上，并通过Rogers 4450B薄膜粘合。为减小单元尺寸并降低互耦，偶极子末端采用了弧形加载。 * 理论基础与设计策略：研究首先从反射系数矩阵理论推导出发，阐明了实现真正双圆极化反射所需的单元特性：单元需表现得像一个反射式半波片，将近乎全反射的入射圆极化波转换为同旋向的反射波；同时，必须能提供360°的动态相位覆盖（通过改变偶极子几何尺寸实现）和独立的旋转相位（通过旋转元件自身实现），后者可为RCP和LCP波提供相反的相位补偿。这种“动态相位+旋转相位”的联合策略是实现独立双圆极化控制的关键。 * 设计演化流程：单元设计分三步进行，采用高频结构仿真器（HFSS）进行全波仿真。 * 步骤一（RA Cell A）：仅考虑K波段双层十字偶极子元件。通过调整上层与下层偶极子的长度比例因子rl，优化其相位响应线性度和带宽。研究发现rl=0.85时，在18-20 GHz范围内，反射相位随偶极子长度lxl变化具有良好的线性度，且对Ka波段影响最小。 * 步骤二（RA Cell B）：在RA Cell A的基础上，引入Ka波段非互联十字偶极子元件。同样通过调整其尺寸比例因子rh（最终选定rh=0.8）来优化Ka波段（30-32 GHz）的相位线性度。此时，Ka波段元件对K波段性能影响极小（相位变化<10°）。基于此，选取了16种`lxl`和`lxh`的组合，构成一个能提供3比特动态相位分辨率的单元库。仿真表明，这些单元在K和Ka波段均能实现高共极化反射率（> -1 dB）和低交叉极化（< -10 dB）。 * 步骤三（RA Cell C）：将K波段和Ka波段元件分别绕其几何中心旋转角度φrl和φrh。仿真验证了旋转能对RCP和LCP反射相位产生相反且独立的影响，从而实现了2×2比特的双频双圆极化相位补偿能力。同时，元件间端到端距离保证了弱耦合，旋转不影响其基本响应。 * 斜入射性能验证：为评估单元在实际反射阵中（边缘单元入射角较大）的性能，研究了两个代表性单元（Cell42和Cell34）在0°至30°入射角下的反射特性。结果表明，在35°入射锥角内，单元的共极化反射幅度和相位保持稳定（相位变化<10°），交叉极化抑制良好（< -14 dB），证明了设计的鲁棒性。
2. 宽带双圆极化平面馈源设计 为降低反射阵天线整体剖面，本研究摒弃了传统的喇叭馈源，创新性地设计了并排放置的K波段和Ka波段平面双圆极化馈源。 * 研究目标与结构：每个馈源包含一个由两个正交L形探针馈电的双极化磁电偶极子辐射器，以及一个基于微带线的二阶混合耦合器。耦合器的两个输入端口分别激励时，可在输出端口产生90°或-90°相位差，从而分别产生RCP或LCP辐射波。 * 性能验证：制作并测试了馈源原型。测量结果显示，在K波段（16-22 GHz）和Ka波段（28-35 GHz），所有端口的反射系数均低于-13 dB，同频段端口间隔离度优于-13 dB，异频段隔离度优于-30 dB。辐射性能方面，K波段馈源的轴比（Axial Ratio, AR）在16-22 GHz范围内大部分低于2 dB（最大2.3 dB），增益7.0-7.6 dBic，半功率波束宽度（HPBW）约75°；Ka波段馈源在27-35 GHz范围内AR低于2.1 dB，增益7.2-8.0 dBic，HPBW约73°。这些宽带、高纯度、中等增益的平面馈源为集成低剖面反射阵奠定了基础。
3. 集成反射阵天线的设计、加工与测试 将设计好的单元与馈源集成为一个完整的反射阵天线系统并进行实验验证。 * 系统设计与仿真：作为概念验证，设计了一个能产生四个不对称分布波束的反射阵：K波段LCP波束指向(θ, φ) = (-30°, 0°)，RCP波束指向(30°, 90°)；Ka波段LCP波束指向(-20°, 90°)，RCP波束指向(20°, 0°)。反射阵口径为直径160 mm的准圆形，包含796个K波段单元和749个Ka波段单元。焦距与直径比（F/D）设为0.65（焦距f=104 mm），以降低剖面高度。利用单元相位补偿库和旋转角分布，对口径相位进行综合。全波仿真（采用FE-BI方法）预测了天线的辐射方向图、增益和轴比。 * 加工与实验测量：制作了反射阵面板，并使用玻璃框架精确组装馈源与反射阵。在远场暗室中对集成天线进行测试。测量时，依次激励每个馈源的RCP或LCP端口，其他端口接匹配负载。 * 数据处理与分析：通过测量得到四个波束的辐射方向图、增益随频率变化曲线、轴比带宽以及波束指向稳定性。将测量结果与仿真结果进行对比，评估天线性能是否达到设计目标。同时，通过分析仿真得到的各项效率（辐射效率、溢出效率、照射效率、相位量化效率、单元反射效率、斜入射效率），估算并解释了天线的口径效率。
四、 主要研究结果
1. 单元设计结果：成功设计出一种基于多层移相表面的双频双圆极化反射阵单元。该单元厚度仅0.1λl，通过“动态相位+旋转相位”联合策略，在K波段（~19 GHz）和Ka波段（~31 GHz）均能独立提供2比特的RCP和LCP反射相位补偿。单元库在目标频段内表现出高反射效率（> -1 dB）和低交叉极化（< -10 dB）。斜入射仿真证实了其在高达35°入射角下的性能稳定性，这直接支持了后续采用较小F/D比（0.65）的设计，从而降低了天线整体剖面。
2. 馈源设计结果：研制出工作于K和Ka波段的宽带双端口双圆极化平面馈源。测量证实其具备宽阻抗带宽（K波段约32%，Ka波段约26%）、高端口隔离度、良好的圆极化纯度（AR < 2.3 dB）以及稳定的中等增益。这一结果至关重要，因为它使得反射阵系统无需笨重的喇叭馈源，显著降低了整体轮廓，并便于与平面前端电路集成。
3. 集成天线性能结果：测量结果与仿真预测高度吻合，验证了设计的有效性。 * 辐射方向图：在19 GHz和31 GHz，天线成功生成了四个指向预定方向的、高纯度的圆极化波束（交叉极化电平低于-22 dB）。 * 增益与效率：K波段波束的实测峰值增益约为24.3-24.5 dBic，Ka波段约为27.1-27.3 dBic。对应的口径效率分别为26.9%（K波段）和19.8%（Ka波段）。效率分析表明，主要损耗来自馈源的宽波束导致的溢出损耗，未来可通过采用阵列馈源或小喇叭馈源来提升。 * 带宽性能：本研究最突出的成果是其宽带性能。实测的联合1-dB增益与AR < 2 dB带宽在K波段大于20.6%，在Ka波段大于14.6%。这标志着双频双圆极化反射阵的带宽性能取得了显著突破。 * 波束扫描能力：仿真分析表明，该天线设计支持大角度波束扫描。在保持一个波束指向不变的情况下，另一个波束在0°至60°范围内扫描时，增益下降可控（K波段约3.2 dB，Ka波段约4.1 dB），且交叉极化水平保持良好。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计、制作并验证了一种用于K/Ka波段空间应用的低剖面、双宽带、双圆极化共享孔径反射阵天线。通过采用多层移相表面单元和联合动态/旋转相位补偿技术，该天线在仅约0.1倍低频波长的薄层内，实现了对两个频段、两种圆极化波的四自由度独立波束赋形。结合自主研发的宽带平面双圆极化馈源，天线整体结构紧凑。实验结果表明，该天线在保持高增益和良好波束指向性的同时，实现了远超以往研究的宽带性能（>20% @ K-band, >14% @ Ka-band）。
其科学价值在于提出并验证了一种高效实现多频多极化独立控制的反射阵设计新方法，特别是通过单元结构优化和“动态+旋转”相位联合调控，解决了宽带与低剖面之间的权衡难题。应用价值方面，该天线是未来高通量卫星通信系统中实现“四色”多波束覆盖的理想候选技术，能够有效减少卫星所需的天线孔径数量，对于构建高速、大容量的天地一体化信息网络具有重要意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究团队在论文中详细列出了天线各项效率的预算表，清晰指出了影响效率的主要因素（如溢出损耗），为后续性能优化指明了方向。此外，文中将本工作与近年来同领域的其他四项代表性研究进行了全面对比（见表2），从工作频率、面板厚度、F/D比、馈源类型、单元间距、峰值增益、口径效率、带宽等多个维度，直观地展示了本工作在带宽、剖面和效率方面的综合优势，凸显了其先进性和创新性。