西電一種新型星載SAR寬帶雙極化微帶天線

1、一種新型星載SAR寬帶雙極化微帶天線著眼于未來需求，星載SAR正朝著多極化、高分辨率和寬觀測帶 的趨勢發(fā)展。天線作為星載SAR的重要子系統(tǒng)，對SAR的功能起著重 要作用。因此 , 具有大帶寬、高隔離度、低交叉極化的微帶天線被廣 泛地研究。目前 , 寬帶雙極化微帶天線饋電方式大都采用口徑耦合形式 , 即 在接地面上開兩個形狀完全一樣，尺寸略微不同的垂直正交的“H形 或矩形口徑進行能量耦合 ;輻射貼片采用了層疊結(jié)構(gòu) , 即在主輻射貼 片上方增加相同形狀但尺寸不同的寄生輻射貼片。 耦合饋電的方式和 層疊結(jié)構(gòu)在顯著增加帶寬的同時 , 也減小了偽輻射 , 有效地提高了端 口隔離度。對于雙極化微帶天線 ,

2、 通常最重要的指標(biāo)就是交叉極化 , 如何抑 制交叉極化電平始終是雙極化天線研究的焦點。近年來 , 一些學(xué)者將 光子帶隙結(jié)構(gòu) (PBG) 應(yīng)用到天線設(shè)計中， 從而有效地抑制表面波的影 響, 但是這種方法也帶來天線結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的弊端 , 尤其是對于大型 天線陣列 , 這個問題更加突出。 此外 , 反向倒相技術(shù)被應(yīng)用在陣列結(jié)構(gòu) 中, 交叉極化也得到某種程度的抑制。 對于微帶天線單元 , 良好的對稱 結(jié)構(gòu)有利于高次模的抑制 , 從而對交叉極化性能有重要的影響。那么 有沒有其他對稱結(jié)構(gòu)的天線單元形式具有良好的交叉極化性能呢 ? 基于這種思路 , 本文做了一些有益的嘗試。本文在采用口徑耦合饋電方式和層疊結(jié)

3、構(gòu)的基礎(chǔ)上 , 通過改變寄 生貼片的形狀 , 又保持天線整體良好的對稱性 , 提出了一種新型寬帶 雙極化微帶天線單元。 計算結(jié)果表明 : 其整體性能優(yōu)于上述天線結(jié)構(gòu) , 兼有大帶寬 （雙端口在 VSWR < 2 時阻抗帶寬分別為 24 %和23.1 %） 、 高隔離度（帶內(nèi)優(yōu)于-48dB ,中心頻率處達-52 dB）、低交叉極化的 特性（雙端口 E面和1端口 H面在方位角為士 40°內(nèi)優(yōu)于-53dB ,2端口 H 面在方位角為± 10°內(nèi)優(yōu)于 -40dB） ，具有重要工程應(yīng)用前景。 1 天線的設(shè)計天線單元結(jié)構(gòu)如圖13所示,把天線主體剖分為八層，第一層和 第四

4、層分別為圓形寄生貼片和正方形主輻射貼片 , 第二、三、五、七 層為介質(zhì)層 , 第六層為接地面 , 其上面開有兩個正交的矩形孔徑 ,饋線 通過孔徑耦合能量 , 從而激勵起兩種正交模式 , 實現(xiàn)垂直和水平極化 工作狀態(tài)。第八層為饋電層 , 本文通過在開路線終端加可調(diào)枝節(jié)的方 式, 使饋線、孔徑、貼片達到良好的匹配。對于介質(zhì)板的選擇 ,貼片層介質(zhì)板主要影響天線的阻抗帶寬 , 主 要表現(xiàn)在帶寬與介電常數(shù)成反比 , 與厚度成正比。 但是, 介質(zhì)板厚度的 增加也會使表面波增強 , 從而導(dǎo)致天線增益和極化純度的降低。對于 接地板層介質(zhì) , 由于孔徑的存在 , 饋線能量在向上輻射的同時 , 也會經(jīng) 天線再次反

5、向向下輻射 , 表現(xiàn)為背瓣過大 , 增益降低。所以 , 我們采用 較薄的高介電常數(shù)介質(zhì)板來增強介質(zhì)對場的束縛 , 從而達到減小背向 輻射。鑒于上述原因 , 本文設(shè)計天線中第二、五層介質(zhì)板選用 Duroid 5880 , 第三層介質(zhì)板選用泡沫 , 第七層介質(zhì)板選用陶瓷板。天線工作 中心頻率為 514GHz ,傳輸線模型公式為：L(1)(2)* r A |, f 仙 + (L 300丿(L/ In + 0- 262).-2AA; 2u n isTt?L 1 +2/ X(na72h) + L 7?26"皿其中， 二一-分別為真空中光速、天線工作中心頻率、等效介電常數(shù)、輻射邊緣場的補償尺寸。

6、通過迭代式(1)(4) 可以求出正方形貼片邊長L。a為圓形貼片的有效半徑，gn為J ' n(x)的第m個零點，由于圓形寄生貼片工作的主模為TM11模，所以 取'-' J 可以查表取1.8412 ,通過迭代式(5)、(6)可求出圓形貼片物理半徑a'Offl i 天n 2天銭需視圖選用Designer軟件進行仿真。在仿真過程中，可以理解為天線整 體有三個諧振器，即兩個貼片和口徑都有自己的阻抗環(huán)，窄阻抗環(huán)由 諧振器間的弱耦合產(chǎn)生，寬環(huán)相應(yīng)的由緊耦合或過耦合諧振產(chǎn)生。通 過調(diào)節(jié)諧振器參數(shù)使阻抗環(huán)彼此接近。就寬帶而言，從smit h圖中表現(xiàn)為這些環(huán)應(yīng)該彼此靠攏并近似環(huán)繞于

7、中心，圓的半徑應(yīng)該小于2 , 即 VSWR <2在優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)該特別強調(diào)下帖片的尺寸，其處在整個耦合網(wǎng) 絡(luò)的中心,對上下兩個諧振器都有影響。對于兩個孔徑和饋線，我們先 確定饋線和孔徑的寬度，根據(jù)初始情況調(diào)節(jié)饋線開路端長度和孔徑的 位置、長度。在調(diào)節(jié)過程中可以發(fā)現(xiàn)一些近似的規(guī)律，如輸入阻抗實部隨孔徑的長度增加而增加，隨孔徑位置偏離貼片邊緣的距離增大而降低;虛部隨開路線長度增加呈感性趨勢變化；隔離度隨兩個孔徑的 位置的接近而降低；交叉極化電平隨孔徑偏離貼片中心的距離增加而 升高。軟件優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為：® =22 衛(wèi)=1- 087 = 2 2，勻=4-2,hi = 0. 25

8、4mm,加=4 8mm, h = L 524mm, In = 0- 508nnih in = 1- 9mm, ir? = 1mm, L3 = 10* 4mm,£4 = G 5mm, R 二 1 L 2mm mZh、址小、瓜分別為第二、三、五、七層介質(zhì)板的 介電常數(shù)和厚度，”L' ：亠L(fēng)分別為饋線寬 度、孔徑寬度、開路枝節(jié)的寬度、孔徑中心到1端口的距離、開路線 長、孔徑長度、孔徑中心到2端口的距離，R為圓形貼片直徑。 2 參數(shù)分析與計算結(jié)果對比該新型天線單元與SSFIP結(jié)構(gòu)有很多相似之處。對于SSFIP結(jié)構(gòu), 從1988年被Jean FrancoisZurcher 首次提出至今

9、，國內(nèi)外很多學(xué)者 做了相關(guān)研究。對于這種天線結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析主要集中在耦合口徑的 尺寸、位置、饋線的尺寸、開路端距離中心的長度、上下輻射貼片的 尺寸、相對大小等對駐波、阻抗的影響。該天線在仿真過程中也對這 些參數(shù)進行了研究，很多現(xiàn)象與已有研究結(jié)果相吻合，上面已經(jīng)提到， 限于篇幅這里不再贅述。由于新型天線與常見的天線主要不同是寄生 貼片與主輻射貼片形狀不同，這里著重對圓形寄生貼片的半徑進行了 分析。如圖4、5、6分別為半徑為9.2 mm 11.2 mm、13.2 mm時 天線輸入阻抗的史密斯圓圖。從圖中可以看出，圓形寄生貼片的大小 對天線中主輻射貼片的耦合影響較大。從阻抗環(huán)可以看出，當(dāng)半徑為9.2

10、 mm時，阻抗環(huán)僅有一個寬環(huán)，這說明此時天線諧振器中主要體現(xiàn) 為下層方形主輻射貼片同孔徑的耦合，其與上層圓形寄生貼片的耦合 很弱。當(dāng)半徑為13.2 mm時，此時出現(xiàn)一大一小兩個阻抗環(huán)，且大阻抗 環(huán)大于半徑為9.2mn時的阻抗環(huán)，這表面圓形寄生貼片面積的增大導(dǎo) 致整個天線諧振器之間耦合增強，但主輻射貼片與寄生輻射貼片、主 輻射貼片與口徑之間能量的耦合不均衡，兩個輻射貼片之間呈過耦合 狀態(tài)。當(dāng)半徑為11.2 mm時,兩個阻抗環(huán)彼此接近，且大部分位于圓圖 中心半徑等于2的圓內(nèi)，此時上下輻射貼片和口徑之間輻射能量均衡 達到最佳諧振狀態(tài)。S 4寄生圓舷霍射貼片半SA 9.Z rnm-1O圈S寄生圓矗輻射

11、妙片半桂為1X2 mm為了便于結(jié)果對比，定義新型天線單元（寄生貼片為圓形）為A 型,將圓形寄生貼片換為正方形寄生貼片，其他結(jié)構(gòu)保持不變，從而構(gòu) 成另一種天線單元，定義為B型。對于B型天線單元，僅微調(diào)正方形 寄生貼片的尺寸和孔徑的位置使該天線同樣達到最優(yōu)的匹配狀態(tài)。 圖7顯示兩種天線單元的雙端口駐波特性，圖中表明VSWR < 2時,A型天線1端口和2端口阻抗帶寬分別為24 %（從4175 GHz到6105 GHz） 和23.1 %（從418 GHz到6105 GHz）,中心頻率為514GHz ,B型天線1 端口和2端口阻抗帶寬分別為24 %（從417 GHz到6 GHz）和21.3%（從

12、418 GHz到5195 GHz）,中心頻率也為514 GHz ,在帶寬上,A型天線比 B型天線略優(yōu)。圖6需生圖形輻射貼片半徑為1L 2 mm4 64 8525 4565 BF/GHz圖7雙端口駐波特性圖8顯示天線單元雙端口隔離度，從中看出，在帶內(nèi),A型天線 隔離度低于-48 dB ,中心頻率處為-52 dB ,均明顯優(yōu)于B型天線。 圖9和10為雙端口 E面的極化方向圖?？梢钥闯?A型天線單元1、 2端口 E面交叉極化電平分別優(yōu)于-55 dB和-50 dB ,最好達-61.3 dB和-53.6 dB ,而B型天線單元僅優(yōu)于-40 dB 和-41 dB , 最好達-4312 dB和-4511 d

13、B ,明顯遜于A型天線單元。圖11為兩種 天線單元1端口 H面極化方向圖。圖中顯示,A、B型天線單元1端 口 H面交叉極化電平分別優(yōu)于-55 dB 和-42 dB ,在0°到-40 °之 間,差距更明顯。圖&隔離度特性ffi 91塑口 E面ts化方向圉圈】"2端口 E面椒乜方向圖圖12顯示2端口 H面極化方向圖。在±10°內(nèi),兩種天線交叉極 化電平均優(yōu)于-40 dB ,在0°附近交叉極化電平更低，兩種天線交叉 極化電平相近。造成H面交叉極化電平較高的原因是為了達到良好的 阻抗匹配,使2端口耦合孔徑的位置偏置貼片中心距離過大，相

14、對于1 端口 ,對稱性變差。林4 It圖仃1靖口 H面協(xié)化方間囲圈口 25«口11面曙代方囪圖另外,筆者還同時提出并研究了另一種新型天線單元：正方形主 輻射貼片加載圓環(huán)寄生貼片。為了驗證其準(zhǔn)確性，計算采用基于另一 種算法的HF2SS高頻電磁仿真軟件。計算結(jié)果同樣顯示：在正方形- 正方形、圓形-圓形、正方形-圓形、正方形-圓環(huán)四種不同結(jié)構(gòu)天 線單元中（四種不同天線單元主輻射貼片參數(shù)及所用介質(zhì)板材完全相 同,寄生貼片形狀不同，饋線等其他參數(shù)僅做細微調(diào)諧以使天線達到 最佳匹配狀態(tài)），正方形-圓形、正方形-圓環(huán)兩種天線單元交叉極 化性能優(yōu)于另外兩種天線單元。四種天線單元性能對比如表1:表1四

15、種不同天線單元交叉極化性能對比交叉極化正方形.正方形TF方形圓形.圓形正方形1劇環(huán)1端口 E面-42 dB-37 dB 36dB 41 dB2端口 E面-40 <IB-31 dB-30dB 38 dB1端口 H面-42 <1B-36 dB-35dB-43 dB2端口 H面 40 dB 36 dB 36dB 41 dB3 結(jié)論通過改變寄生貼片的形狀，使之既具有良好的對稱性，又與主輻 射貼片形狀不同 , 從而提出了一種新型結(jié)構(gòu)的天線單元。同時與另一 種結(jié)構(gòu)較常見的天線單元進行了對比 , 結(jié)果表明新型天線單元在帶 寬、隔離度和交叉極化特性上均優(yōu)于普通常見天線結(jié)構(gòu) , 其中交叉極 化最為突出 ,優(yōu)于