科研进展 | 一腔十模：信息学院林丰涵课题组提出宽带卫星通信天线新方案

背景与问题: 圆极化天线及其阵列在卫星通信与遥感等领域具有重要应用,低剖面的天线和阵列可以显著提升火箭载荷,有助于实现一箭多星的快速部署｡但是,在低剖面条件下要实现天线的宽带扫描十分困难,主要是高频段的大量高阶杂散模式会引起天线单元的增益下降和方向图裂瓣,从而导致阵列扫描盲点,严重限制圆极化天线阵列的扫描范围和天线的有效带宽｡因此,在全频段引入“数量足够且辐射一致性高”的模式,并对天线单元进行精细化多模调控,可以从根源上保证圆极化天线阵列的全频段宽角度扫描性能｡

方案与结果: 针对上述问题,上海科技大学林丰涵课题组提出并实验验证了一种单馈低剖面宽带圆极化的超构表面天线技术方案,综合采用半模､奇偶模､高次模辐射,首次实现了一腔十模的宽带稳定辐射,相比传统方案通常采用的一腔三模方案实现了辐射模式的显著提升,并在40%的带宽范围内,实现了方向图稳定的圆极化辐射｡其核心创新点在于: ①利用各向异性的结构变换(区别于经验性加载)实现了同阶简并模式的相位主动分离(区别于不同阶模式的固有分离); ②在此基础上,利用多模缝隙激励多模超构表面(区别于单模激励多模),形成正交宽带模式组(区别于正交模式对); ③发现并利用了超构表面的半阶模式和奇偶模式; ④用十个模式首尾串接(区别于2-3个模式)的方式,实现了方向图对称且稳定的宽带辐射(区别于阻抗带宽宽但方向图带宽受限)｡

成果与意义: 该研究成果较为全面地展示了高次模辐射在扩展天线性能边界上的巨大潜力,为天线设计与优化提供了新的科学理论､技术方案和重要实验依据｡ 上述研究成果以“Ten-Mode Single-Fed Low-Profile Wideband Circularly-Polarized Metasurface Antenna using Dual-Mode-Aperture-Coupled Higher-Order Mode”为题,发表于电磁场与微波技术领域的旗舰学术期刊IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters｡上海科技大学为第一完成单位,上海科技大学信息学院博士研究生高佳璠和朱昳慧为文章共同第一作者,上海科技大学信息学院林丰涵教授为本文通讯作者｡