圆极化选择表面分析、设计及应用研究

作     者：吴文杰 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李波

授予年度：2021年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：圆极化选择表面 电流辐射模型 空间测量法 反射阵天线 多功能 

摘      要：圆极化选择表面（Circular Polarization Selection Surface,CPSS）作为一种空间滤波器,对工作在同一频率下的不同圆极化电磁波具有极化选择特性,被广泛的应用于极化分集天线系统的设计中。由于传统的CPSS单元加工复杂,斜入射性能不稳定等缺点,致使其越来越难以应用于设计现如今通信系统中的多功能天线。因此,探索简单的新型CPSS结构并将其用于天线设计具有一定的研究价值。在本论文中,利用弯折线实现了CPSS单元的小型化,创新性地提出基于耦合线的正交插接加工方式,简化了制造、装配的难度,并给出一种改善轴比的方法。在此基础上利用新型CPSS单元实现了多功能圆极化反射阵天线的设计,具体研究内容如下:（1）首先介绍了CPSS的研究背景与意义,再从基本工作原理上对传统CPSS进行分类与对比,然后着重分析了基于Pierrot单元的CPSS。最后,针对反射阵天线的设计,给出了一系列详细的设计流程,奠定了利用CPSS单元准确设计圆极化反射阵天线的基础。（2）从Pierrot单元的工作原理出发,设计了一种具有低轴比的新型小型化CPSS。通过深入分析单元表面的谐振电流,建立了表面电流辐射模型。根据电流辐射模型计算出CPSS的交叉极化零点频率,同时通过多项式函数拟合出单元尺寸与谐振频率的关系,实现了此类CPSS的快速设计。最后通过对此类CPSS的交叉极化的分析,提出了一种可以改善轴比的设计方法。（3）利用单层印刷电路板技术加工了所设计的新型CPSS结构,并在线极化空间测试系统中对其进行测量,获得了该CPSS结构的最终测量数据。新型CPSS结构及其低轴比改进结构的测试结果与全波仿真结果吻合良好,斜入射性能稳定。（4）利用新型CPSS单元进行多功能反射阵天线阵面的设计,实现了在10GHz附近对左旋圆极化入射波进行波束赋形,并同时透射右旋圆极化波的功能。基于阵列理论编写辐射方向图快速计算程序,通过全波仿真软件验证其可靠性。最后对设计的多功能反射阵天线进行加工和测试,测得10GHz处的增益为21.4d B,口径效率35.5%,轴比低于1.6d B,并验证了其对右旋圆极化波的透射性能。