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极化选择型透反双功能超表面：5G毫米波圆极化折叠透射阵天线

微波射频网

2022-04-29

导读：折叠透射阵天线（Folded transmitarray antenna）通常由馈源、底层转极化表面以及顶层相位调制阵列结构组成。相较于传统的反射阵或透射阵天线，折叠透射阵天线通过引入两次光路折叠极大

折叠透射阵天线（Folded transmitarray antenna）通常由馈源、底层转极化表面以及顶层相位调制阵列结构组成。相较于传统的反射阵或透射阵天线，折叠透射阵天线通过引入两次光路折叠极大地降低了天线的剖面尺寸，具有低剖面、极化纯净度高、易于集成等优势。目前，大多数折叠透射阵天线通常工作于线极化状态下，且使用喇叭天线或波导作为馈源不仅增加了重量，还需要占用额外的空间，一定程度上限制了其实际应用价值。此外，由于需要设计底层和顶层两块超表面也增加了天线研发过程的复杂度。基于此，如何实现结构简单、集成度高的高效圆极化折叠透射阵天线仍然具有一定的挑战性。

本课题组近期提出了一种毫米波圆极化折叠透射阵天线的设计方法，只需一种超表面结构。所设计的圆极化选择型透反双功能超表面对于左旋圆极化（LHCP）入射波具有转极化透射聚焦功能，而对于右旋圆极化（RHCP）入射波则可以实现同极化镜面反射。在此基础上，再结合集成了平面圆极化微带贴片馈源天线的底层金属反射板，最终实现了圆极化高增益波束辐射功能。为了探索所提出的折叠透射阵天线在5G无线通信中的应用，我们选择毫米波FR2频段作为天线工作频段。得益于底层全金属反射面天然地对圆极化电磁波具有转极化全反射特性，所提出的折叠透射阵天线峰值口径效率为43.1%，3-dB增益带宽为15.8%。天线整体剖面尺寸为1.23λ，高度-口径比（H/D）仅为0.17，具有明显的低剖面特征，在对系统集成度要求较高的卫星通信、雷达探测、无线通信等领域具有良好的应用前景。

相关研究成果以“Polarization-Selective Bifunctional Metasurface for High-Efficiency Millimeter-Wave Folded Transmitarray Antenna With Circular Polarization”为题发表于《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》（DOI:10.1109/TAP.2022.3168746）。南京大学博士研究生杨维旭为本文第一作者，陈克副教授与冯一军教授为论文的共同通信作者，本课题组的赵俊明教授、姜田教授也参与了工作。