[发明专利]一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅

说明书

本发明属于卫星通信技术领域，具体为一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，在保证宽带、低插损的前提下，有效解决双频圆极化栅入射角稳定性差的问题；特别适用于大容量、低损耗和高入射角稳定性的双频扫描圆极化卫星通信系统。本发明充分利用短微带线和金属线栅复合结构，能够大大增强了交叉极化抑制能力，且易于拓展带宽和减小插损；同时，通过在“I”型短微带线末端加载四个短枝节形成变形“I”型短微带线，能够进一步降低单元尺寸至0.13×0.18个工作波长，显著提高了入射角稳定性；该极化栅在双频段中心频点处插损分别仅为0.5和1.5dB，相对轴比带宽分别高达33％和12％，最大可工作入射角提高至45度，显著优于现有技术的25度。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种双频宽带宽角圆极化栅，具体为一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，特别适用于大容量、低损耗和高入射角稳定性的双频扫描圆极化卫星通信系统。

背景技术

K/Ka波段圆极化卫星通信系统不仅需要宽的工作频段，如下行频段17.7-20.2GHz(13％)和上行频段27-30GHz(11％)，还需具备宽入射角稳定性以用于波束扫描。一种相对简单地生成圆极化波的方式是利用在线极化天线辐射口面一定距离处加载圆极化栅，天线和极化栅可独立设计；与传统圆极化天线相比，此方式不需要复杂的馈电网络，易于控制。

最近几十年报道了越来越多不同种类的圆极化栅，按其功能大体可分为反射型和传输型两类；相较于前者，后者实现起来更难，需要同时考虑传输系数的幅度和相位。目前，基于超材料谐振结构的双频圆极化栅大多在零星的几个谐振频率点处具备圆极化特性，因此其轴比带宽较窄，插损较大。如文献“P.Naseri,S.A.Matos,J.R.Costa,C.A.Fernandes,and N.J.G.Fonseca,“Dual-band dual linear to circular polarization converterin transmission mode-application to K/Ka-band satellite communications,”IEEETransactions on Antennas a nd Propagation,vol.66,no.12,Dec.2018”中采用天线-滤波器-天线耦合结构可有效降低插损，同时最大可工作入射角增至30度，但带宽较窄。又如文献“Q.Y Zeng,W.Ren,H.Z hao,Z.H.Xue,and W.M.Li,“Dual-band transmission-typecircular polariser based on fre quency selective surfaces,”IET Microwaves,AntennasPropagation,vol.13,no.2,Feb.2019”中采用开口环、金属线、矩形贴片和矩形环复合多层金属结构增加设计自由度，在低损耗的基础上，其双频轴比带宽分别达到31％和13.8％，最大可工作入射角为25度。又如公开号为CN109755755A、发明名称为一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅的专利文献中提出了一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，该圆极化栅单元包含两层相同的金属表面结构，每层金属表面由十字型和“I”型偶极子复合多参调控结构组成，在双频段，插入损耗为2和0.8dB，轴比带宽为29％和12％，最大可工作入射角为20度。

由上可以看出，现有双频圆极化栅通过增加设计自由度可显著提高其工作带宽和降低插损，但因单元尺寸较大，存在入射角稳定性差的问题，要同时实现低插损、宽轴比带宽、宽入射角难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，在保证宽带、低插损的前提下，有效解决双频圆极化栅入射角稳定性差的问题。为了实现该目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，其单元结构包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4及第三金属覆铜层5，各单元采用矩形排布；其特征在于，