低剖面寬帶雙圓極化微帶天線

彭 蘭,盧曉鵬,周子成

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

低剖面寬帶雙圓極化微帶天線

彭 蘭,盧曉鵬,周子成

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

介紹了一種低剖面寬帶雙圓極化微帶天線單元及四元陣列的設(shè)計。天線單元設(shè)計中采用L探針耦合理論和薄膜天線結(jié)構(gòu),增大天線帶寬的同時實現(xiàn)低剖面;采用四點反相饋電技術(shù)有效抑制了交叉極化,增加了兩個極化端口之間的隔離度。對孤立單元及1×4小陣的仿真及實測結(jié)果表明,該天線陣在33.3%的帶寬內(nèi)駐波比優(yōu)于1.9,兩端口隔離度小于-30 dB,軸比小于1.8 dB。

低剖面;L探針;薄膜天線;四點饋電;雙圓極化;微帶天線

0 引 言

作為遙感領(lǐng)域一種新的技術(shù),星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)除了能夠提供高分辨率的目標(biāo)圖像外還具有全天候、全天時的優(yōu)勢,可以大范圍地對全球進(jìn)行觀測成像。天線是決定合成孔徑雷達(dá)性能最關(guān)鍵的子系統(tǒng)[1-2]。頻譜資源日益緊張的現(xiàn)代衛(wèi)星通信領(lǐng)域迫切需要天線具有雙極化功能,能使其通信容量增加一倍。因此,要求天線能夠同時實現(xiàn)寬帶、雙頻、雙極化等性能。為了便于折疊展開,還要求天線具備低剖面、小型化、質(zhì)量輕等優(yōu)勢。

寬帶雙極化天線主要有3大類形式,第1類是雙極化裂縫波導(dǎo)天線,第2類是雙極化對稱振子類天線,第3類是雙極化微帶貼片天線。大多數(shù)采用波導(dǎo)縫隙陣來實現(xiàn)[3-6],其技術(shù)相對而言較為成熟,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的端口隔離和交叉極化特性,效率高。但是,其帶寬窄結(jié)構(gòu)較為笨重,加工復(fù)雜,無法應(yīng)用在受到空間、質(zhì)量等限制的衛(wèi)星上。對于雙極化對稱振子天線,其優(yōu)點是帶寬寬,缺點是天線剖面尺寸較大且兩種極化天線單元的波瓣一致性差;特別是當(dāng)天線工作在UHF以下的波段時受到載機平臺的限制,天線單元數(shù)較少,造成了兩種極化狀態(tài)下天線的波瓣寬度、背瓣及增益差異很大,不利于SAR的成像處理。因此,目前的發(fā)展趨勢是采用微帶天線陣。它具有質(zhì)量輕、低剖面、易制造且易與飛行器表面共形的優(yōu)點,適合做成大的共面陣,而且能夠方便地實現(xiàn)雙極化功能。因此,雙極化微帶天線成為目前研究的重點方向,而且在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。雙極化微帶天線在具備寬頻帶、高隔離度、低交叉極化等特性的同時具備小型化、低剖面是有一定的難度。近年來,國內(nèi)外對此項工作進(jìn)行了一系列的研究并取得了部分成果[7-12]。

本文提出了一種雙極化微帶貼片天線。首先采用四點反相饋電技術(shù)實現(xiàn)低交叉極化,然后使用L探針耦合饋電技術(shù),同時采用薄膜天線技術(shù)替代常見的背腔耦合饋電方法。在提高帶寬和增益、增加兩個極化端口之間的隔離度的同時還大大減輕了天線的整體質(zhì)量,并且實現(xiàn)了天線的折疊,達(dá)到減小存儲體積的目的。最后給出了天線的實測結(jié)果。實驗數(shù)據(jù)表明該天線陣具有低剖面、高隔離、低交叉極化和高一致性等諸多優(yōu)良性能。

1 單元結(jié)構(gòu)及仿真設(shè)計

天線單元的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

(a)天線單元結(jié)構(gòu) (b) 天線單元結(jié)構(gòu)

整個天線由激勵單元微帶板、薄膜天線及4個激勵探針組成。其中激勵單元微帶板采用L探針耦合饋電結(jié)構(gòu)[11],一方面,探針?biāo)讲糠值碾娙菘梢匝a償垂直部分產(chǎn)生的電感,從而達(dá)到寬帶;另一方面,無接觸饋電模式能夠降低自感,以補償激勵探針?biāo)氲募纳姼?實現(xiàn)寬帶阻抗匹配。為抑制正交模輻射,提高雙極化天線的端口隔離、交叉極化及波瓣對稱性,天線單元采用四端口反相饋電方式[12],通過探針垂直過渡方式將水平面的微帶線轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较虻?個探針對薄膜天線進(jìn)行耦合饋電。如圖1(b)所示,每組微帶線的兩個輸出端相位相差180°,在兩組微帶線輸入端口之間增加1個90°電橋,通過改變電橋激勵的方式實現(xiàn)左旋和右旋圓極化。同時,使用薄膜天線結(jié)構(gòu)來達(dá)到低剖面、體積小、質(zhì)量輕的目的。

整個天線的優(yōu)化設(shè)計使用Ansoft公司的HFSS軟件完成。圖2給出了一種極化端口的有源駐波仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可見,該天線單元在33.3%的頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于1.7。圖3給出了該微帶天線的中頻方向圖。

(a) 右旋圓極化端口有源駐波仿真結(jié)果

(b) 左旋圓極化端口有源駐波仿真結(jié)果

圖3 天線中頻方向圖

2 天線陣設(shè)計及仿真結(jié)果

利用此單元形式設(shè)計加工了一個用于機載SAR的P波段雙圓極化天線陣。該天線由方位向4個單元組成。天線用1個1∶8微帶功分網(wǎng)絡(luò)通過同軸電纜進(jìn)行饋電,其中4個輸出口等幅同相,另外4個輸出口等幅反相。實物如圖4所示。

(a) 天線實物圖1 (b) 天線實物圖2

在微波暗室內(nèi)對該天線陣的各項技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試。該1×4微帶天線試驗小陣的端口駐波測試結(jié)果如圖5所示。由測試結(jié)果可見,該天線在500～700 MHz的頻帶內(nèi)左旋圓極化端口駐波比和右旋圓極化端口駐波比均小于1.9。天線端口隔離度測試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示在頻帶內(nèi),隔離度均小于-30 dB。

(a) 左旋圓極化端口駐波測試結(jié)果

(b) 右旋圓極化端口駐波測試結(jié)果

表1和2分別給出整個天線小陣左旋、右旋圓極化帶內(nèi)方位向和俯仰向上的遠(yuǎn)場波瓣指標(biāo)?？梢娫撎炀€在500～700 MHz的頻帶內(nèi)副瓣指標(biāo)優(yōu)于-11.0 dB,左旋、右旋圓極化的輻射方向圖一致性很好。

表1 天線左旋圓極化的遠(yuǎn)場波瓣性能測試數(shù)據(jù)

表2 天線右旋圓極化的遠(yuǎn)場波瓣性能測試數(shù)據(jù)

天線軸比測試結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果顯示在500～700 MHz的工作帶寬內(nèi),天線小陣法向的軸比均小于1.8 dB。

圖7 天線軸比實測結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種P波段的低剖面寬帶雙圓極化微帶天線。通過將L探針近耦合饋電技術(shù)、薄膜天線技術(shù)以及四點反相饋電等技術(shù)有效結(jié)合,在33.3%的帶寬內(nèi)成功實現(xiàn)了1.9 dB以下的端口駐波、-30 dB以下的端口隔離度和較好的左右旋一致性輻射方向圖。

[1] Chakrabarty S B,Klefenz F,Dreher A.Dual polarized wide-band stacked microstrip antenna with aperture coupling for SAR applications[C].Antennas and Propagation Society International Symposium,IEEE,2000,4:2216-2219.

[2] 孫竹,鐘順時,孔令兵,等.寬帶雙波段雙極化共口徑SAR天線設(shè)計[J].電子學(xué)報,2012,40(3):542-547.

[3] Laohapensaeng T,Boonying K.Dual-Polarized microstrip antenna with high isolation using an inserted slot[C].Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS),2011 International Symposium on.IEEE,2011:1-5.

[4] Bukhari H,Sarabandi K.Ultra-wideband printed slot antenna with graded index superstrate[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(10):5278-5282.

[5] Cho D,Lee H.Folded Corrugated SIW (FCSIW) Slot Antenna for Back-Lobe Suppression[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation letters,2013,12:1276-1279.

[6] Ali-Akbari E,Azarmanesh M N,Soltani S.Design of miniaturised band-notch ultra-wideband monopole-slot antenna by modified half-mode substrate-integrated waveguide[J].Microwaves,Antennas & Propagation,IET,2013,7(1):26-34.

[7] 梁仙靈,鐘順時,汪偉.高隔離度雙極化微帶天線直線陣的設(shè)計[J].電子學(xué)報,2005,33(3):553-555.

[8] 徐永杰,姜興.Ku 波段寬帶雙頻雙極化微帶天線陣的設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報,2010,25(1):146-150.

[9] 翟禹,蘇東林.緊湊型毫米波雙極化陣列天線[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2013,39(8):1058-1061.

[10] Gao S,Li L W,Leong M S,et al.A broad-band dual-polarized microstrip patch antenna with aperture coupling[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(4):898-900.

[11] Chakrabarti S.Development of shared aperture dual polarized microstrip antenna at L-band[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(1):294-297.

[12] Li S J,Gao J,Zhang Z,et al.Broadband and High-Isolation Dual-Polarized Microstrip Antenna with Low Radar Cross Section[J].IEEE antennas and wireless propagation letters,2014,13:1413-1416.

A low-profile wideband microstrip antennawith dual circular polarization

PENG Lan, LU Xiao-peng, ZHOU Zi-cheng

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A low-profile wideband microstrip antenna element with dual circular polarization and 4-element array is designed. The L-probe coupling theory and thin-membrane antenna structure are adopted in the design of the antenna element to increase the bandwidth and get a low profile. The adoption of the four-point anti-phase feed technique effectively suppresses the cross polarization and increases the isolation between the two polarization ports. The simulation and test results of a single element and a 1 by 4 array indicate that the VSWR is better than 1.9, the isolation is lower than -30dB, and the axial ratio is lower than 1.8dB.

low profile; L probe; thin-membrane antenna; four-point feed; dual circular polarization; microstrip antenna

2016-09-19;

2016-10-20

彭蘭(1988-),女,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)天線設(shè)計;盧曉鵬(1976-),男,研究員,研究方向:微波陣列天線;周子成(1983-),男,高級工程師,博士,研究方向:微波陣列天線。

TN82

A

1009-0401(2017)01-0034-03