一種可用于SAR的雙極化口徑耦合天線單元

1、一種可用于SAR的雙極化口徑耦合天線單元商登鵬，傅光（西安電子科技大學(xué) 天線與電磁散射研究所，西安 710071）摘 要： 從實(shí)用角度提出了一種可用于合成口徑雷達(dá)（SAR）的雙極化口徑耦合微帶天線單元，采用時(shí)域有限差分法（FDTD），結(jié)合專門的仿真軟件進(jìn)行了天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果證明這種天線的駐波比小于1.5的相對帶寬達(dá)14.4%，隔離度在工作頻帶內(nèi)優(yōu)于33dB。關(guān)鍵詞： SAR；FDTD；雙極化天線A Dual-polarized Aperture coupled Microstrip Antenna in SAR SystemShang Dengpeng , Fu Guang (Resear

2、ch Institute of Antennas and EM Scattering, Xidian University, Xi'an 710071)Abstract: Based on FDTD and software emulator , a dual-polarized microstrip antenna capable of achieving a wide bandwidth , a high isolation and low backward radiation levels was designed. The antenna is proved with firm

3、ness, small size, good performance. Measured VSWR exhibits a bandwidth of over 14% and isolation is better than 33dB over the bandwidth.key words: SAR , FDTD , Dual-polarized antenna1 引言在合成口徑雷達(dá)(SAR ) 系統(tǒng)中, 要求使用具有雙極化、寬頻帶、高隔離度、高效率的有源相控陣天線。以往, 這種天線往往采用波導(dǎo)縫隙陣來實(shí)現(xiàn) 1 , 但是結(jié)構(gòu)比較笨重, 加工復(fù)雜, 特別是用于衛(wèi)星上時(shí), 受到空間、重量等限制,

4、不能做得太大.因此目前的發(fā)展趨勢是采用微帶天線陣來實(shí)現(xiàn)這些功能 2, 3 , 它具有體積小、重量輕、易與有源器件相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)這種相控陣天線時(shí)，其天線單元的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅要求單元具有好的隔離度和交叉極化特性以外，還要具有合理輕便的結(jié)構(gòu)和較小的單元間互藕。傳統(tǒng)的單層微帶貼片單元具有帶寬較窄的弱點(diǎn)4，因此目前普遍采用口徑耦合微帶天線來獲取寬頻帶特性。本文將給出一種適用于SAR的雙極化口徑耦合微帶天線陣的設(shè)計(jì)和結(jié)果。這種天線采用單層輻射貼片，與使用多層貼片技術(shù)相比，其結(jié)構(gòu)簡單牢靠，易于加工制作。天線的兩種線極化狀態(tài)分別由兩個(gè)垂直交叉的矩形口徑產(chǎn)生。 與文獻(xiàn)5，6 提出的“H”形等幾種其它形

5、狀的口徑相比，矩形口徑更容易設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高隔離度和高的交叉極化性能。在應(yīng)用到相控陣時(shí)，這種天線單元間的互藕很小。本文從實(shí)用角度設(shè)計(jì)了這種天線，給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果對天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。2 天線的結(jié)構(gòu)a b圖1 雙極化天線的結(jié)構(gòu)（a 俯視圖, b 側(cè)視圖）Fig.1 Configuration of dual-polarized antenna (a Top view, b Side view) 這種天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由兩層介質(zhì)層（介質(zhì)1，介質(zhì)2）、兩層空氣層和一層接地板組成。 方形貼片位于介質(zhì)1的下表面，邊長a ,介質(zhì)1還可以起到保護(hù)天線的作用,其介電常

6、數(shù)是,厚1 。介質(zhì)1下面是厚3的空氣層，它把介質(zhì)1和介質(zhì)2分開，微帶饋線位于介質(zhì)2的下表面，介質(zhì)2的介電常數(shù)是，厚2 。介質(zhì)2的上表面是開有“十”字形口徑的接地面。輻射貼片由兩個(gè)“十”字相交的縫隙饋電，兩條縫隙的寬度是,長度分別是 1, 2 。垂直極化的縫隙由兩個(gè)對稱的饋電點(diǎn)饋電，其中心點(diǎn)的距離是d。為了抑制后向輻射，在介質(zhì)2下方放置了一層金屬板，同時(shí)也使天線的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固可靠。介質(zhì)2和金屬板之間是厚4的空氣層。 對口徑耦合微帶天線的分析方法主要有兩類: 一類是積分方程法, 如矩量法。這類方法需要得到格林函數(shù), 但是分層介質(zhì)、多層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的格林函數(shù)非常復(fù)雜。另一種方法是時(shí)域有限差分法(FDTD

7、)，它采用時(shí)間和空間的中心差分對Maxwell 方程直接離散化7,表述簡明易懂，但是運(yùn)算量非常大。使用FDTD 計(jì)算這種天線時(shí)，由于網(wǎng)格的劃分和波源的設(shè)置會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以本文在使用FDTD分析的同時(shí)，結(jié)合了基于矩量法的仿真軟件Ensemble 。3 結(jié)果根據(jù)FDTD方法,結(jié)合專門針對微帶電路的軟件Ensemble , 設(shè)計(jì)和制作了這種天線。具體參數(shù)是：a0.2990 ，4.65 ，11mm ，39.5mm ，2.65 ，21mm ，47mm 。端口1激勵的口徑參數(shù)是:10.2770 ，0.01330 ，d12.25mm. 。端口2激勵的口徑參數(shù)是： 20.2560 ，0.013

8、30 。0 是中心頻率點(diǎn)的自由空間波長。 所采用的FDTD網(wǎng)格空間為100x×180y×180z ，空間步長x0.24mm ，y0.25mm ，z0.25mm ，PML吸收層為5層，計(jì)算需要6000個(gè)時(shí)間步長。 在微帶拐角處，由于采用的是45度拐角，所以在拐角處差分方程不做變化，只是邊界條件要仔細(xì)處理。激勵源采用Gauss脈沖，脈沖寬度T500ps 。首先將激勵源設(shè)在端口1上，兩次計(jì)算得到S11 ，S21以及此時(shí)的輻射方向圖，然后將激勵源設(shè)在端口2上，再兩次計(jì)算得到S22 ，S12和相應(yīng)的方向圖。a b圖2 天線的駐波比曲線 （a 端口1的駐波比， b 端口2的駐

9、波比）Fig.2 VSWR of dual-polarized antenna (a Port 1, b Port 2) 圖3 天線的隔離度曲線 圖4 天線的實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Isolation of dual-polarized antenna Fig.4 photograph of dual-polarized antenna圖2和圖3針對駐波比和隔離度比較了FDTD計(jì)算結(jié)果，Ensemble方針結(jié)果和實(shí)際測量的結(jié)果，橫坐標(biāo)是歸一化的頻率。實(shí)際測量結(jié)果顯示，端口1駐波比小于1.5的 歸一化頻率范圍從0.934到1.078,帶寬達(dá)14.4% 。端口2駐波比小于1.5的歸一化頻率范

10、圍從0.931到1.062,帶寬達(dá)13.1% 。實(shí)際結(jié)果跟仿真軟件的結(jié)果非常吻合，而跟FDTD計(jì)算結(jié)果相差較大。天線的隔離度在工作頻帶內(nèi)優(yōu)于33dB。圖4是這種雙極化單元的實(shí)際照片。4 結(jié)論 本文給出了一種高隔離度的寬帶雙極化微帶天線單元的設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)際測試結(jié)果實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種天線采用口徑耦合的饋電形式，單元體積和重量相對較小，結(jié)構(gòu)比較簡單可靠，并且很適于與有源電路相結(jié)合，比如功放電路，移相器等，因此可以組成寬帶的高隔離的雙極化微帶天線陣列。在星載SAR的應(yīng)用中，這種天線的優(yōu)點(diǎn)更加突出。參 考 文 獻(xiàn) 1 Jo sefsson L , Vant Klooster K . Dual pola

11、rized slotted waveguide SAR antenna . IEEE Antennas Propagat Symp, 1992. 625628. 2 Patel P D . A dual polarized microstrip antenna with low cross-polarization fo r SAR app licat ions . IEEE Antennas Propagat Symp , 1996. 15361539. 3 Rostan F, Wiesbeck W , Van Zly J J . Dual polarized L-band microstr

12、ip patch array for the AIRSAR/TOPSAR system . IEEE Antennas Propagat Symp, 1996. 22942296. 4 S.C.Gao ,L.W.Li ,T.S.Yeo and M.S.Leong . Low cost ,dual linearly polarized microstrip patch array . IEEE Antennas Propagat Symp , 2001. 2124. 5 Vivek Rathi ,Girish Kumar ,and K.P.Ray . Improved Coupling for Aperture Coupled Microstrip Antennas . IEEE Antennas Propagat Symp, 1996. 11961198. 6 S.C.Gao ,L.W.Li ,P.Gardner and P.S.Hall . Wideband dual-polarisede micr