李唐景梁建剛 李海鵬 牛雪彬 劉亞嶠

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

(2016年4月21日收到;2016年11月29日收到修改稿)

基于單層線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面的寬帶高增益圓極化天線設(shè)計(jì)?

李唐景?梁建剛 李海鵬 牛雪彬 劉亞嶠

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

(2016年4月21日收到;2016年11月29日收到修改稿)

基于線-圓極化轉(zhuǎn)換原理和聚焦超表面相關(guān)理論,設(shè)計(jì)了一種反射型寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面,并結(jié)合線極化饋源設(shè)計(jì)了寬帶的高增益圓極化天線.首先,提出了一種單層的變形十字超表面單元,單元具有極化獨(dú)立特性,并且能夠在10—14 GHz寬頻帶范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)反射波相位360?范圍全調(diào)控,同時(shí)利用該單元構(gòu)建的一維超單元很好地驗(yàn)證了奇異反射現(xiàn)象.然后,分別控制單元橫向和縱向尺寸的分布構(gòu)建出同時(shí)滿足線-圓極化轉(zhuǎn)換和聚焦條件的雙功能超表面.最后,采用Vivaldi天線作為饋源對(duì)超表面進(jìn)行照射組成天線系統(tǒng),仿真及測(cè)試結(jié)果均表明天線系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高增益和線-圓極化轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)的?1 dB帶寬為24%,?3 dB軸比帶寬為29.8%.本文的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了超表面對(duì)電磁波相位和極化操控的靈活性,具有顯著的應(yīng)用前景.

超表面,線-圓極化轉(zhuǎn)換,聚焦,寬帶

1 引 言

超表面[1?3]是基于相位突變和極化控制思想設(shè)計(jì)的一種新型二維人工超材料,因其具有強(qiáng)大的電磁波操控能力,并且相對(duì)于傳統(tǒng)的超材料具有低損耗、低剖面、易加工等優(yōu)勢(shì),自提出以來(lái)就備受關(guān)注,相關(guān)的研究成果也頗為豐碩.

在相位調(diào)控方面,2011年哈佛大學(xué)Capasso課題組[4]將不同的超材料單元按照特定的順序排布在二維平面上,產(chǎn)生相位梯度,從而在分界面上引入不同的相位突變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射/折射相位的靈活調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了奇異反射和奇異折射等功能,并由此推導(dǎo)出了廣義菲涅耳定律.2012年,復(fù)旦大學(xué)Sun等[5]利用H型單元設(shè)計(jì)的漸變折射率鏈接超表面將入射波轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娌?效率接近100%,在隱身和吸波等方面具有廣泛的應(yīng)用前景,同年,他們利用H型單元設(shè)計(jì)了高效的反射聚焦超表面[6].2014年,美國(guó)德克薩斯州大學(xué)Estakhri和A lù[7]設(shè)計(jì)的納米級(jí)反射超表面可在寬帶范圍內(nèi)對(duì)光波進(jìn)行高效操控,分別實(shí)現(xiàn)了屈光、波束操控和聚焦.

在極化轉(zhuǎn)換方面,2012年美國(guó)哈佛大學(xué)Yu等[8]利用V形納米天線設(shè)計(jì)的超表面在光學(xué)頻段實(shí)現(xiàn)了線-圓極化轉(zhuǎn)換;2013年香港大學(xué)Zhu等[9]利用4×4個(gè)單元構(gòu)成的線-圓極化轉(zhuǎn)換超表面將線極化貼片天線和縫隙天線的輻射形式變?yōu)閳A極化,并且性能得到了一定提升;2014年?yáng)|南大學(xué)Ma等[10]利用兩個(gè)正交的I型單元構(gòu)建了雙折射各向異性超表面,在微波頻段分別實(shí)現(xiàn)了線-圓極化轉(zhuǎn)換和線極化的交叉極化轉(zhuǎn)換;2015年空軍工程大學(xué)屈紹波團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的透射型極化轉(zhuǎn)換超表面實(shí)現(xiàn)了超寬帶的線-圓極化轉(zhuǎn)換,其中在11—18.3 GHz范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了90%[11],同年,該團(tuán)隊(duì)利用非對(duì)稱的雙開(kāi)口諧振環(huán)單元構(gòu)建的極化轉(zhuǎn)換超表面在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了線極化的交叉極化轉(zhuǎn)換[12].上述兩種類型的超表面只具有單一的功能,若利用同一種單元將兩種功能結(jié)合起來(lái),經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)即可得到雙功能超表面.

本文結(jié)合線-圓極化轉(zhuǎn)換原理和聚焦超表面相關(guān)理論,提出了一種單層的變形十字超表面單元,其具有很好的極化獨(dú)立性并且通過(guò)改變結(jié)構(gòu)尺寸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射波相位調(diào)控范圍覆蓋360?,同時(shí)在10—14 GHz范圍內(nèi)平滑的相位曲線保證了單元能夠在寬帶工作.首先在中心頻率12 GHz處選取相位間隔為60?的六個(gè)單元構(gòu)成超單元,對(duì)于x極化和y極化入射波具有相反的相位梯度,由仿真結(jié)果可以看出垂直入射的x極化波經(jīng)超單元反射后向正x方向偏折,垂直入射的y極化波經(jīng)超單元反射后向負(fù)x方向偏折,且偏折角與理論計(jì)算值保持一致;然后分別控制單元橫向和縱向尺寸的分布設(shè)計(jì)了既可以實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換又可以實(shí)現(xiàn)聚焦的單層超表面,仿真時(shí)分別用y極化平面波和x極化平面波垂直照射到超表面,由結(jié)果可以看出兩種極化方式的平面波在10—14GHz范圍內(nèi)聚焦效果明顯,并且焦距與設(shè)計(jì)值相符.傳統(tǒng)上在設(shè)計(jì)極化獨(dú)立的單元時(shí),為了增加相位覆蓋范圍和展寬帶寬一般采用多層堆疊技術(shù)[13,14],本文這種單層的設(shè)計(jì)大大降低了加工難度與成本,具有明顯的優(yōu)勢(shì).為了進(jìn)一步將該超表面應(yīng)用到工程當(dāng)中[15?17],根據(jù)光路可逆原理,將線極化饋源Vivaldi天線的相位中心置于焦點(diǎn)處,并使其極化方向與x軸夾角呈45?,設(shè)計(jì)了寬帶的高增益右旋圓極化天線.為了驗(yàn)證天線系統(tǒng)的性能,我們加工了樣品并進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好,表明系統(tǒng)的?1 dB增益帶寬為24%(11—14 GHz),3 dB軸比帶寬為29.8%(10—13.5 GHz),其中在12 GHz處增益為19.6 dBic,口徑效率達(dá)到了54.8%.

2 寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

首先簡(jiǎn)要分析線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波需要滿足的條件[18].由電磁場(chǎng)基本理論可知,圓極化波可以分解為兩個(gè)相互正交、幅值相等且相位相差90?的線極化波,那么實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換就要滿足兩個(gè)條件.首先,將線極化波分解為兩個(gè)相互正交且幅值相等的線極化波;其次,這兩個(gè)線極化波相位相差90?.本文采用反射型單元實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換,如圖1所示,線極化波沿負(fù)z方向入射,其極化方向與x軸夾角為θ.當(dāng)θ=45?或θ=135?時(shí)入射的線極化波恰好可以分解為兩個(gè)正交的且幅值相等的線極化分量,我們以θ=45?的情況為例進(jìn)行分析,此時(shí)入射波的電場(chǎng)可以表示為

可以判斷反射波為右旋圓極化波,即單元實(shí)現(xiàn)了線極化波到右旋圓極化波的轉(zhuǎn)換.

圖1 線-圓極化轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1. Schem atic view of the linear-to-circu lar polarization conversion.

設(shè)計(jì)聚焦超表面時(shí),單元對(duì)反射相位的調(diào)控范圍需要覆蓋360?,并且在二維平面內(nèi)相位補(bǔ)償要滿足雙曲面分布[19],通常采用改變單元的尺寸來(lái)調(diào)控相位.為了方便地在一種超表面上集成極化轉(zhuǎn)換和聚焦兩種功能,我們需要設(shè)計(jì)出能夠獨(dú)立操控x極化和y極化入射波的超表面單元.具體而言,改變單元一個(gè)方向的尺寸僅影響與該方向平行的入射波的反射相位,對(duì)極化與之正交的入射波的反射相位不產(chǎn)生影響.

2.2 單元設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理,本文提出了一種中心頻率在12 GHz處的變形十字超表面單元,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)為4.3,損耗角正切值為0.001,厚度h=3 mm的環(huán)氧玻璃布板,背面涂覆金屬銅,正面加載變形十字結(jié)構(gòu),其中單元周期p=7 mm,金屬結(jié)構(gòu)中k=0.2 mm,ax和ay分別為x方向和y方向金屬枝節(jié)的長(zhǎng)度.本文利用CST M icrowave Studio進(jìn)行仿真分析.圖3給出了單元主極化和交叉極化的反射系數(shù)幅度,可以看出在10—14 GHz頻帶范圍該單元交叉極化很小且主極化的反射系數(shù)幅度接近于1.

圖2 變形十字單元 (a)主視圖;(b)側(cè)視圖Fig.2.Transform ation cross elem ent:(a)Top view; (b)perspective view.

單元是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的,首先研究一個(gè)方向的主極化反射相位.這里我們固定ax值,令入射波為y極化波,改變ay值進(jìn)行仿真,得到的反射相位曲線如圖4所示.由圖4可以看出在10—14 GHz頻帶范圍內(nèi)通過(guò)改變金屬枝節(jié)長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)反射相位360?的覆蓋,并且曲線平滑度較好.

圖3 反射系數(shù)幅度Fig.3.Am p litudes of refl ection coeffi cient.

圖4 y極化波的反射相位Fig.4.Refl ected phase of y-polarized wave.

下面研究單元的獨(dú)立性. 選取中心頻率12 GHz,令入射波為y極化波,仿真結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看出ax的改變對(duì)y極化波的反射相位幾乎沒(méi)有影響,則可以認(rèn)為單元是獨(dú)立的,這樣x極化和y極化的相位就可以獨(dú)立控制,降低了下文設(shè)計(jì)線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面的難度.由于單元具有對(duì)稱性和獨(dú)立性,只需分析尺寸ay對(duì)y極化波的影響,ax對(duì)x極化波的影響是相同的.圖6給出了不同頻率處改變ay時(shí)y極化波的反射相位曲線,可以看出相位覆蓋360?的同時(shí)曲線的平滑度很好,這也是實(shí)現(xiàn)寬帶的前提.

在下文中存在電磁波對(duì)單元斜入射的情況,這里我們分析了斜入射對(duì)單元反射相位的影響.圖7為在12 GHz處不同入射角時(shí)單元所對(duì)應(yīng)的反射相位,可以看出在入射角β＜45?范圍內(nèi)反射相位較小的差異是可以接受的,因此可以忽略斜入射的影響.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)極化獨(dú)立性研究Fig.5.(color on line)Research on polarization independence.

圖6 不同頻率處y極化波的反射相位Fig.6.Refl ected phase of y-polarized wave at diff erent frequencies.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同入射角時(shí)單元的反射相位Fig.7.(color on line)Refl ected phase under diff erent incident angles.

2.3 寬帶奇異反射現(xiàn)象驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證單元的相位調(diào)控特性和極化獨(dú)立特性,我們?cè)O(shè)計(jì)了一維的超單元來(lái)觀察奇異偏折現(xiàn)象.根據(jù)廣義反射定律[20]其中θi和θr分別為入射角和反射角,λ0為真空中波長(zhǎng),ni為介質(zhì)的折射率(真空中ni=1),dΦ/d x為相位梯度.在中心頻率12 GHz處選取相位間隔為60?的六個(gè)單元構(gòu)成超單元,對(duì)于x極化入射波,沿x軸正方向相位梯度為?60?;對(duì)于y極化入射波,沿x軸正方向相位梯度為60?.所對(duì)應(yīng)的單元尺寸分別為ax1=ay6=1.26,ax2=ay5=1.42, ax3=ay4=1.58,ax4=ay3=1.8,ax5=ay2= 2.18,ax6=ay1=2.5,圖8為所設(shè)計(jì)超單元的示意圖.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)超單元及相位分布Fig.8.(color on line)Super cell and phase distribu tion.

分別使x極化波和y極化波沿負(fù)z方向入射,對(duì)于所設(shè)計(jì)的超單元,由(4)式可知垂直入射x極化波經(jīng)過(guò)反射后將向x軸正方向偏折,垂直入射y極化波經(jīng)過(guò)反射后將向x軸負(fù)方向偏折,計(jì)算可得在10,12和14 GHz處的偏折角分別為45?,37?和30?.圖9為仿真得到的xoz面電場(chǎng)分布圖,可以看出明顯的奇異偏折現(xiàn)象,而且偏折的角度與理論計(jì)算值相符.

2.4 超表面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換,單元的反射相位需要滿足?x??y=90?或?x??y=?90?,2.2節(jié)已經(jīng)驗(yàn)證了單元具有良好的獨(dú)立性,因此可以分兩步來(lái)設(shè)計(jì)線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)xoz面電場(chǎng)分布圖 (a),(b),(c)y極化平面波入射;(d),(e),(f)x極化平面波入射Fig.9.(color on line)The electric field d istribu tion in xoz p lane(a),(b),(c)w ith the incidence of y-polarized p lane wave and(d),(e),(f)w ith the incidence of x-polarized p lane wave.

在中心頻率12 GHz處,設(shè)定焦徑比為0.5,構(gòu)建由13×13個(gè)單元組成的二維聚焦超表面,其厚度為3 mm,面積為91 mm×91 mm.首先確定對(duì)y極化波聚焦時(shí)單元的相位分布,(5)式為各位置處單元的相位,其中f為焦距,令原點(diǎn)處單元的初始相位?0=0?,可計(jì)算出各位置處單元的相對(duì)相位分布如圖10(a)所示,根據(jù)相位分布挑選出對(duì)應(yīng)的ay尺寸;在確定對(duì)x極化波聚焦的單元相位分布時(shí),以?x??y=90?為例進(jìn)行設(shè)計(jì),依據(jù)(6)式計(jì)算出各位置處單元的相對(duì)相位分布如圖10(b)所示,根據(jù)相位分布挑選出對(duì)應(yīng)的ax尺寸.這樣就確定了各位置處單元的尺寸,構(gòu)建的線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面如圖11所示.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)相對(duì)相位分布 (a)y極化;(b)x極化Fig.10.(color on line)Phase distribution:(a)y-polarized;(b)x-polarized.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面Fig.11.(color on line)Linear-to-circu lar polarization conversion focusing m etasu rface.

由于單元具有寬帶特性,所構(gòu)成的聚焦超表面也具有寬帶特性,根據(jù)(5)式可知焦距會(huì)隨頻率的增大而增加[21].為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)聚焦超表面的聚焦效果,分別用y極化平面波和x極化平面波沿負(fù)z方向垂直照射到超表面進(jìn)行仿真,結(jié)果中xoz面的能量分布如圖12所示,可以看出在10—14 GHz頻帶范圍內(nèi)兩種極化方式的平面波聚焦效果明顯.為了更加精確地得到焦點(diǎn)的位置,我們利用軟件后處理得到了z軸上的能量強(qiáng)度,結(jié)果如圖13所示,可以看出焦點(diǎn)的位置與之前設(shè)定的焦距大致相等,不同頻率處焦點(diǎn)的位置略有不同,隨著頻率的增大焦距增加,這與之前的推測(cè)是一致的.

圖12 (網(wǎng)刊彩色)xoz面能量分布圖 (a),(b),(c)y極化平面波入射;(d),(e),(f)x極化平面波入射Fig.12.(color on line)The power-fl ow distribu tion in xoz p lane(a),(b),(c)w ith the incidence of y-polarized p lane wave and(d),(e),(f)w ith the incidence of x-polarized p lane wave.

圖13 (網(wǎng)刊彩色)z軸能量強(qiáng)度 (a)y極化平面波入射;(b)x極化平面波入射Fig.13.(color on line)The power intensity on z axis(a)w ith the incidence of y-polarized p lane wave and (b)w ith the incidence of x-polarized p lane wave.

3 寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換聚焦超表面在高增益圓極化天線中的應(yīng)用

3.1 寬帶高增益圓極化天線設(shè)計(jì)

上一節(jié)中我們所設(shè)計(jì)的聚焦超表面具有理想的聚焦效果,根據(jù)光路可逆原理,焦點(diǎn)處放置饋源,其輻射的球面波經(jīng)過(guò)聚焦超表面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌?波束寬度變窄,饋源增益將有效提高;由于每個(gè)單元的反射相位始終保持?x??y=90?,當(dāng)線極化饋源的極化方向與x軸夾角為45?或135?時(shí)即可實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換.為了減小遮擋,我們利用厚度為1.5 mm、寬為16 mm、長(zhǎng)為50 mm的寬帶Vivaldi天線作為饋源,將其相位中心置于焦點(diǎn)處并使其極化方向與x軸夾角呈45?,設(shè)計(jì)了寬帶的右旋圓極化天線.

圖14 (網(wǎng)刊彩色)天線系統(tǒng)xoz面近場(chǎng)電場(chǎng)分布圖Fig.14.(color on line)Sim u lated electric field distribu tion in xoz p lane.

圖15 (網(wǎng)刊彩色)12.5 GHz處三維輻射方向圖Fig.15.(color on line)Th ree-dim ensional sim u lated far field radiation pattern at 12.5 GHz.

圖14為仿真得到的不同頻點(diǎn)處天線系統(tǒng)的xoz面近場(chǎng)電場(chǎng)分布圖,可以明顯地觀察到饋源Vivaldi天線輻射出的球面波經(jīng)聚焦超表面反射后得到了近平面波,達(dá)到了預(yù)期效果.三維輻射方向圖如圖15所示,天線系統(tǒng)在12.5 GHz處增益達(dá)到了19.9 dBic,并且軸比為2.1 dB.

3.2 加工測(cè)試

為了驗(yàn)證該天線系統(tǒng)的性能,我們利用平面印刷電路板技術(shù)加工制作了樣品并在微波暗室中進(jìn)行測(cè)試,如圖16所示.在13 GHz處仿真與測(cè)試得到的xoz面和yoz面天線方向圖如圖17(a)和圖17(b)所示,由圖17可以看出仿真與測(cè)試結(jié)果基本符合,尤其是主瓣寬度.不過(guò)由于測(cè)試環(huán)境的限制等因素,旁瓣有一定區(qū)別.寬帶范圍內(nèi)仿真與測(cè)試得到的峰值增益如圖18所示,可以看出仿真與測(cè)試結(jié)果符合較好,寬帶范圍內(nèi)饋源的增益得到了明顯的提高,系統(tǒng)的?1 dB增益帶寬達(dá)到了24%(11—14GHz),在該頻段系統(tǒng)增益相對(duì)于饋源增益平均提高了9.6 dB,其中在12 GHz處增益為19.6 dBic,口徑效率達(dá)到了54.8%.圖19為天線系統(tǒng)測(cè)試和仿真得到的軸比曲線,可以看出3 dB軸比帶寬達(dá)到了29.8%(10—13.5 GHz).

圖16 實(shí)物圖Fig.16.The sam p le of antenna system.

圖17 (網(wǎng)刊彩色)13 GHz處仿真與測(cè)試方向圖 (a)xoz面;(b)yoz面Fig.17.(color on line)Sim ulated and m easured far field radiation patterns at 13 GHz:(a)xoz-p lane;(b)yoz-p lane.

圖18 (網(wǎng)刊彩色)天線系統(tǒng)與饋源天線增益Fig.18.(color on line)Realized gain of antenna system and feed antenna.

圖19 天線系統(tǒng)仿真與測(cè)試軸比Fig.19.Axial ratio of antenna system.

4 結(jié) 論

本文提出了一種寬帶極化獨(dú)立的單層反射型超表面單元,結(jié)合線-圓極化轉(zhuǎn)換原理以及聚焦超表面設(shè)計(jì)原理,構(gòu)建了同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換和聚焦的二維超表面.在此基礎(chǔ)上結(jié)合線極化饋源Vivaldi天線設(shè)計(jì)了寬帶圓極化高增益天線,仿真和測(cè)試結(jié)果符合,表明天線系統(tǒng)的?1 dB增益帶寬為24%,3 dB軸比帶寬為29.8%,并且具有較高的口徑效率.該設(shè)計(jì)是多功能超表面的新應(yīng)用,為圓極化天線的設(shè)計(jì)提供了很好的思路,具有顯著的應(yīng)用價(jià)值.

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PACS:41.20.Jb,42.25.Ja,78.47.dc,71.20.–bDOI:10.7498/aps.66.064102

B roadband circu larly po larized h igh-gain antenna design based on linear-to-circu lar polarization conversion focusing m etasu rface?

Li Tang-Jing?Liang Jian-Gang Li Hai-Peng Niu Xue-Bin Liu Ya-Qiao

(A ir and M issile Defense College,A ir Force Engineering University,X i’an 710051,China)
(Received 21 Ap ril 2016;revised m anuscrip t received 29 Novem ber 2016)

A single-layer reflecting element is proposed based on the princip le of linear-to-circular polarization conversion focusing m etasurface,which can independently control the phases of x-polarized and y-polarized reflecting waves and operate in a broadband of 10–14 GHz.Follow ing the generalized Snell’s law s of reflection,a super cell is designed w ith a phase-gradient of?60?for x-polarized waves and 60?for y-polarized waves,and the simulation results show the well w ideband anom alous refl ection as expected.In the design of themultifunctionalm etasurface,the 13×13 unit cells are used to satisfy the parabolic p rofi le and the focal-distance-to-diam eter ratio is set to be 0.5.The phase com pensation for form ing a constant aperture phase is p rovided by the individual reflected elements w ith diff erent structure parameters and?x??y=90?is used to realize polarization conversion.The designed sam p le is simu lated in CST M icrowave Studio and the resu lts show that both of the x-polarized and y-polarized p lane waves are well focused through the refl ection of the focusing metasurface in a broadband of 10–14 GHz.Traditionally,mu lti-layer element is used to broaden phase coverage and bandw id th,the single-layer design in this paper greatly reduces the cost,processing diffi culty and thickness of the lens.For further app lication,a linearly polarized Vivaldi antenna w ith a highest gain of 10 dB is located at the focal point ofmetasurface and the angle included between its polarization direction and x-axis is 45?in order to acquire right-handed circu larly polarized reflecting wave.According to the reversibility princip le of electrom agnetic wave propagation,the sphericalwave radiated by the feed antenna is converted into p lane wave by the reflection of the focusing m etasurface so that the antenna gain is rem arkab ly enhanced.Simultaneously,the linearly polarized wave can be transform ed into circularly polarized wave.Finally,the feed antenna and them etasurface are fabricated,assemb led and measured.Numerical and experimental results are in good agreement w ith each other,which shows that the?1 dB gain bandw idth of the high-gain antenna is 24%(11–14GHz)and the 3 dB axial ratio bandw id th is 29.8%(10–13.5GHz). In addition,the gain at 12 GHz reaches a highest value of 19.6 dBic,and the aperture effi ciency ism ore than 54%.The good performances indicate that the p roposed broadband high-gain circularly polarized antenna has a well p rom ising app lication in various communication system s.It is worth noting that the horizontally polarized,vertically polarized, right-handed circularly polarized and left-handed circularly polarized high-gain antenna can be realized w ith the rotation of feed antenna.In this case the idea ismore versatile and valuab le for designing the polarization reconfigurable antenna system s.

metasurface,linear-to-circular polarization conversion,focusing,broadband

10.7498/aps.66.064102

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61372034)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:litangjing666@sina.com

*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant No.61372034).

?Corresponding author.E-m ail:litangjing666@sina.com