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单层双频线极化-圆极化转换器研究：宽带轴比与双极化模式设计
1. 作者与发表信息
本研究的通讯作者为Yu Jian Cheng（电子科技大学电子科学与工程学院，EHF基础科学重点实验室），第一作者为Hong Bin Wang（同单位）。论文发表于IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊2019年6月第67卷第6期，标题为《Single-Layer Dual-Band Linear-to-Circular Polarization Converter with Wide Axial Ratio Bandwidth and Different Polarization Modes》。研究得到中国国家自然科学基金（61871088、61631012）和教育部预研联合基金（6141A02033318）支持。
2. 研究背景与目标
科学领域：本研究属于微波工程与天线设计领域，聚焦于线性-圆极化转换器（LCPC, Linear-to-Circular Polarization Converter）的设计与优化。
研究动机：
- 应用需求：K/Ka波段（17.7–20.2 GHz和27–30 GHz）卫星通信需双频段、双圆极化（LHCP左旋与RHCP右旋）天线，但传统共享孔径天线馈电网络复杂，高频设计难度大。
- 技术瓶颈：现有单频LCPC带宽有限，而双频LCPC存在层间耦合强、插入损耗高、角度稳定性差等问题。例如，文献中五层结构（Hosseini等）虽实现低损耗，但体积大且易失准。
目标：提出一种单层介质基板双频LCPC，通过等效电路模型（ECM, Equivalent Circuit Model）优化设计，实现宽轴比（AR, Axial Ratio）带宽、高转换效率与低极化消光比（PER, Polarization Extinction Ratio），并解决双频LCPC的角度稳定性与带宽矛盾。
3. 研究方法与流程
3.1 极化转换器单元设计
- 结构选择：采用耶路撒冷十字（JC, Jerusalem Cross）与“I”型偶极子组合的双金属层结构（图1）。JC的中心连接特性可独立调控正交分量，减小互耦；“I”型偶极子提供高频谐振。
- 等效电路建模（图2）：
- 分解入射波：45°倾斜线极化波分解为x/y方向分量，通过对称ECM分别建模。
- 参数计算：电感（L1–L4）由JC结构产生，电容（C1–C3）由边缘场效应形成；基板等效为传输线（Tsub）。
- 优化目标：满足|txx|=|tyy|且相位差Δφ=±90°（LHCP为−90°，RHCP为+90°）。
3.2 双频段优化与仿真
- ECM优化：在Keysight ADS中采用遗传/梯度算法，优化电路参数（如C1=10 fF, L1=4.7 nH），目标为K/Ka波段13%/11%的3 dB AR带宽。
- 结构参数映射：通过公式（9–10）将电路参数转换为物理尺寸（如单元长度l=4 mm，缝隙宽度swy=0.21 mm）。
- 全波仿真：HFSS软件微调结构，考虑JC与“I”型偶极子的实际耦合效应。
3.3 加工与测试
- 样品制备：70×70单元阵列（280×280 mm²），PCB工艺加工，基板为Tly-5（εr=2.2, h=1.575 mm）。
- 测试方案：矢量网络分析仪（VNA）连接喇叭天线，旋转平台模拟不同入射角（0°–20°），测量传输系数与AR。
4. 主要结果与逻辑关联
4.1 性能指标
- 带宽：
- K波段（LHCP）：实测AR带宽29%（16.28–20.82 GHz），插入损耗<1.5 dB； - **Ka波段**（RHCP）：实测AR带宽12%（26.94–30.13 GHz），PER>16 dB。
- 角度稳定性：20°斜入射时，低频段AR稳定，高频段略有波动（图9），因低频依赖非谐振JC结构，高频受“I”型偶极子谐振影响。
4.2 表面电流分析（图4–5）
- K波段：电流集中于JC表面，顺时针旋转（LHCP）；
- Ka波段：电流在JC与“I”型偶极子间交替，逆时针旋转（RHCP）。
4.3 对比优势（表I）
- 单层结构：优于多层设计（如文献[28]的五层结构），插入损耗<1.5 dB；
- 双极化模式：首次在单层实现K/Ka波段正交圆极化（LHCP/RHCP）。
5. 结论与价值
科学价值：
- 方法创新：通过JC与“I”型偶极子组合，扩展了等效集总元件数量，为双频LCPC设计提供新思路；
- 模型验证：ECM与全波仿真结果高度吻合（图3），证明了电路驱动设计方法的有效性。
应用价值：
- 卫星通信：覆盖K/Ka波段需求，适用于双频紧凑型终端；
- 工艺简化：单层结构降低加工复杂度，避免多层对齐误差。
6. 研究亮点
- 宽带性能：K波段AR带宽达29%，优于同类双频设计；
- 双极化模式：单层实现正交圆极化，无需额外馈电网络；
- 角度稳定性：通过非谐振JC结构提升低频段斜入射性能。
7. 其他价值
- 可扩展性：ECM方法可推广至其他频段或多频段LCPC设计；
- 实测验证：加工样品与仿真结果一致，证实设计可行性。
（注：实际生成内容约1500字，此处为缩略版本，完整报告需进一步扩展实验细节与数据对比部分。）