寬帶單層開孔式雙波段雙極化SAR天線的設計

孟子芮， 鐘順時， 孫 竹， 沈文輝

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

寬帶單層開孔式雙波段雙極化SAR天線的設計

孟子芮， 鐘順時， 孫 竹， 沈文輝

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

提出一種新型共用口徑L/C雙波段雙極化單層開孔式結構的合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)天線，這種新型結構旨在提高L/C雙波段雙極化共口徑SAR天線中L波段的天線帶寬．對天線進行仿真、加工和測試．測試結果表明，L波段的反射系數不大于－10 dB的相對帶寬達到13．7%，C波段相對帶寬達到17．0%．實驗結果驗證了新型結構的有效性．

雙波段;雙極化;微帶天線;合成孔徑雷達;共口徑;寬帶

Abstract:A novel L/C dual-band dual-polarized shared-aperture antenna with a single-layer perforated structure is proposed for synthetic aperture radar(SAR)applications．The aim is to broaden the impedance bandwidth in the lower L-band of the L/C shared-aperture SAR antenna．The antenna element has been simulated，fabricated and measured．The measurements show that the bandwidths，defined as reflection coefficient being less than or equal to －10 dB，is increased to 13．7%in the lower L-band，while that of the higher C-band reaches 17．0%．Experimental results have verified this design．

Key words:dual-band;dual-polarization;microstrip antenna;synthetic aperture radar(SAR);sharedaperture;wideband

當前微波遙感技術正以其全天候、全天時、高分辨率和穿透地物等優點獲得了廣泛的應用和發展，從而使微波合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)天線技術在國際上廣受關注．近年來，SAR天線的重要進展是雙波段雙極化(dual-band dual-polarization，DBDP)共口徑天線的研制［1］，并且正朝著寬帶、低交叉極化、高端口隔離度的方向發展．國內外已提出了不少共口徑雙波段雙極化SAR天線方案:文獻［2-3］提出采用S波段微帶振子/縫隙和X波段方形貼片交織的方案，可適用于更為廣泛的頻率比范圍;文獻［4］報道了一種C波段方形微帶貼片與X波段縫隙的組合方案;文獻［5］提出一種L波段十字貼片與C波段方形貼片的組合方案;文獻［6-8］提出了幾種開孔式雙波段雙極化共口徑SAR天線，采用低頻段開孔貼片與高頻段方形貼片的組合方案．

這幾種設計方案的不足之處均在于低頻波段相對帶寬較窄．針對這一不足，本研究提出一種新型的“單層開孔”式L/C波段雙波段雙極化共口徑天線．為便于比較，表1列出了本研究提出的天線和文獻［2-8］中天線的阻抗帶寬和單元形式，表中帶寬均取反射系數|S11|≤－10 dB的帶寬．

表1 文獻［2-8］與本工作DBDP天線陣的帶寬和單元形式Table 1 Bandwidths and element configurations of the DBDP antenna arrays of references［2-8］and this work

1 天線結構與設計

當雙波段雙極化共口徑SAR天線的雙波段天線單元都采用貼片時，為了展寬帶寬，一般均采用雙層貼片的設計．以往的開孔式設計方案中［6-8］，將雙層低頻段貼片置于雙層高頻段貼片之上，從而需對雙層低頻段貼片都加以開孔，以減小對各自下方的高頻段貼片輻射的影響．文獻［8］指出，在貼片上開孔會顯著減小天線帶寬，這也是以往開孔式雙波段雙極化共口徑SAR天線中低頻波段帶寬較窄的原因之一．為驗證這一想法，本研究已仿真了工作在L波段的兩種雙層貼片天線結構:雙層貼片均開孔結構和雙層貼片僅上層貼片開孔(單層開孔)的結構．在雙層貼片間距相同的情形下，比較這兩種結構的帶寬差異．圖1為這兩種結構的S11仿真圖，從圖中可看出，單層開孔結構|S11|≤－10 dB的頻率范圍為1．16 ～1．35 GHz，相對帶寬為 14．8%;而雙層開孔結構|S11|≤ －10 dB的頻率范圍為 1．15～1．27 GHz，相對帶寬為10．0%．可見，單層開孔結構帶寬明顯寬于雙層開孔結構．

基于以上思路，本研究改變雙波段雙層貼片在層次安排上的順序，將C波段雙層貼片插入L波段寄生貼片與有源貼片之間，如此只需對上層L波段寄生貼片開孔，而不需對下層L波段有源貼片開孔，從而不但有效減小了開孔面積，而且使L波段雙層貼片間距有所增大，從而展寬低頻段帶寬．將這種天線稱為“單層開孔”式雙波段雙極化共口徑SAR天線．

圖1 L波段兩種雙層貼片結構的帶寬比較Fig．1 Bandwidth comparisions of L-band stacked antennas in two structures

天線結構如圖2所示，單元天線由下至上共有A，B，C，D 4層介質，E，F 層為空氣層(見圖2(a)中側視圖)，各層介質材料的參數如表2所示．天線共有4層微帶貼片:L波段有源貼片和開孔寄生貼片，分別位于介質層A層上側和D層下側;C波段有源貼片和寄生貼片，分別位于B層上側和C層下側．地板位于介質層A層下側，L波段有源貼片也作C波段單元的地板之用．L波段與C波段頻率比近似為1∶4，布局上采用雙層L波段方形貼片與雙層2×2 C波段方形貼片構成的共口徑結構，如圖2(a)中頂視圖所示，將各層拉開后的透視圖如圖2(b)所示(圖中實線陰影線表示位于介質板上側，虛線表示位于下側)．

L波段有源貼片為一方形貼片，L波段寄生貼片為方形開孔貼片，其中有4個均布的小方形貼片開孔，可見L波段僅對單層寄生貼片層開孔．采用兩個同軸探針對L波段有源貼片饋電，且兩探針位置成90°對稱，此正交饋電結構可實現L波段天線的雙極化工作方式．可通過調節優化饋電點位置、貼片尺寸以及疊層貼片間距等方式實現良好的阻抗匹配．

C波段寄生貼片為4個對應于L波段寄生貼片開孔下方的小方形貼片，C波段有源貼片為4個分別帶有L形匹配枝節的小方形貼片．L形匹配枝節由兩段長方形貼片以90°連接而成，始端連接于C波段有源貼片，末端連接于從底層介質和貼片伸出的同軸探針上．為滿足相位掃描需求，C波段貼片均采用獨立饋電，每個貼片有2個成90°對稱的饋電端口以實現雙極化工作方式，故2×2個C波段貼片共需要8個饋電端口．C波段采用共面饋電與同軸饋電相結合的饋電方式［9］，同軸電纜穿過介質層A，B，與L形匹配枝節匹配，實現對C波段貼片饋電(見圖2)．由于L波段有源貼片中心的TM01模電場值為0，要實現C波段饋電對L波段性能影響最小，可通過調節C波段貼片間距及8根饋電匹配枝節長度，使8根同軸電纜在L波段有源貼片中心附近穿過．因為此天線將應用于SAR相位掃描天線陣中，所以設計之初就應考慮C波段的單元間距．單元間距設計公式［10］:

式中，θM為設計的最大掃描角(從邊射方向算起)．由于要求的最大掃描角為30°，按式(1)求得C波段單元間距不能大于37．7 mm，仿真后選定C波段單元間距為37．5 mm．經Ansoft HFSS11．0軟件仿真優化后的天線尺寸列于圖2下方．

圖2 天線整體結構示意圖Fig．2 Framework of the proposed unit cell

表2 介質材料參數Table 2 Dielectric material parameters

2 天線的仿真和實測結果

為驗證該結構，本研究設計、加工并測試了一副L/C雙波段雙極化共口徑SAR天線．天線實物圖如圖3所示．

圖3 天線實物圖Fig．3 Photos of the proposed antenna

圖4 和圖5分別為L波段與C波段仿真及實測的端口S參數．鑒于天線的對稱性，為簡便起見，L波段與C波段均只給出了一個端口的S參數仿真圖．從圖中的測試結果可以看到，L波段在1．19～1．36 GHz頻帶內滿足|S11|≤ －10 dB，相對帶寬達到13．7%，帶內天線的極化隔離在－18 dB以下．C波段在4．76～5．65 GHz頻帶范圍內滿足|S11|≤－10 dB，相對帶寬超過了17．0%，帶寬內極化隔離在－19 dB以下．值得注意的是，C波段仿真S11曲線與實測仿真曲線變化規律較相近，但其頻率上移了約100 MHz，這可能與相對介電常數不準確有關．

圖4 L波段S參數仿真與測試結果Fig．4 Measured and simulated of L-band S parameters

圖6 和圖7分別給出了L波段與C波段2×2陣列的仿真和實測方向圖，為簡便起見，均只給出水平端口激勵時的方向圖．為了降低天線的交叉極化電平，C波段陣列采用倒相饋電技術［11-12］，其仿真交叉極化電平可達到－38 dB，實測交叉極化電平只在－22 dB以下，仿真與測試結果的差異可能來源于饋電網絡設計與加工方面的問題．C波段主極化E面方向圖的旁瓣電平較高，為此可將L波段有源貼片下方對應面積周圍的接地板抬高至與之同水平。仿真結果表明，其旁瓣電平可降至與H面旁瓣電平差不多高［13］．L波段水平極化端口的交叉極化電平在－25 dB以下，當此天線應用于雙波段雙極化共口徑SAR天線陣時，隨著陣元數的增多，倒相饋電技術將進一步抑制交叉極化電平．通過標準喇叭比較法測得L 波段增益達到9．69 dBi，C 波段增益為10．30 dBi．

圖5 C波段S參數仿真與測試結果Fig．5 Measured and simulated of C-band S parameters

圖6 L波段方向圖(水平端口)Fig．6 L-band radiation patterns(H-Port)

3 結束語

本研究提出了一種新型“單層開孔”式雙波段雙極化共口徑SAR微帶天線設計方法．從仿真和實測結果來看，低頻的L波段的相對帶寬高達13．7%，與以往雙波段雙極化共口徑SAR天線相比有較大改善．實測的L/C波段端口隔離度分別優于－18和－19 dB，增益分別為9．69 和10．30 dBi．實驗結果驗證了這一新設計的有效性．

由于本研究著重于展寬低波段帶寬，其端口隔離度等性能有望在后續工作中進一步采取措施來改進．因此，這種寬帶新設計對L/C波段雙波段雙極化共口徑SAR天線的應用是具有潛力的．

圖7 C波段方向圖(水平端口)Fig．7 C-band radiation patterns(H-Port)

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Design of Wideband Dual-Band Dual-Polarized Single-Layer Perforated SAR Antenna

MENG Zi-rui， ZHONG Shun-shi， SUN Zhu， SHEN Wen-hui
(School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

TN 82

A

1007-2861(2012)05-0475-05

10．3969/j．issn．1007-2861．2012．05．007

2011-11-09

國家自然科學基金資助項目(60871030，61171031);國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2007AA12Z125)

鐘順時(1939～)，男，教授，博士生導師，研究方向為電磁場與微波技術、現代天線理論與技術．E-mail:shshzhong@163．com