宽带单层开孔式双波段双极化SAR天线的设计

孟子芮， 钟顺时， 孙 竹， 沈文辉

(上海大学通信与信息工程学院，上海200072)

宽带单层开孔式双波段双极化SAR天线的设计

孟子芮， 钟顺时， 孙 竹， 沈文辉

(上海大学通信与信息工程学院，上海200072)

提出一种新型共用口径L/C双波段双极化单层开孔式结构的合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)天线，这种新型结构旨在提高L/C双波段双极化共口径SAR天线中L波段的天线带宽．对天线进行仿真、加工和测试．测试结果表明，L波段的反射系数不大于－10 dB的相对带宽达到13．7%，C波段相对带宽达到17．0%．实验结果验证了新型结构的有效性．

双波段;双极化;微带天线;合成孔径雷达;共口径;宽带

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

当前微波遥感技术正以其全天候、全天时、高分辨率和穿透地物等优点获得了广泛的应用和发展，从而使微波合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)天线技术在国际上广受关注．近年来，SAR天线的重要进展是双波段双极化(dual-band dual-polarization，DBDP)共口径天线的研制［1］，并且正朝着宽带、低交叉极化、高端口隔离度的方向发展．国内外已提出了不少共口径双波段双极化SAR天线方案:文献［2-3］提出采用S波段微带振子/缝隙和X波段方形贴片交织的方案，可适用于更为广泛的频率比范围;文献［4］报道了一种C波段方形微带贴片与X波段缝隙的组合方案;文献［5］提出一种L波段十字贴片与C波段方形贴片的组合方案;文献［6-8］提出了几种开孔式双波段双极化共口径SAR天线，采用低频段开孔贴片与高频段方形贴片的组合方案．

这几种设计方案的不足之处均在于低频波段相对带宽较窄．针对这一不足，本研究提出一种新型的“单层开孔”式L/C波段双波段双极化共口径天线．为便于比较，表1列出了本研究提出的天线和文献［2-8］中天线的阻抗带宽和单元形式，表中带宽均取反射系数|S11|≤－10 dB的带宽．

表1 文献［2-8］与本工作DBDP天线阵的带宽和单元形式Table 1 Bandwidths and element configurations of the DBDP antenna arrays of references［2-8］and this work

1 天线结构与设计

当双波段双极化共口径SAR天线的双波段天线单元都采用贴片时，为了展宽带宽，一般均采用双层贴片的设计．以往的开孔式设计方案中［6-8］，将双层低频段贴片置于双层高频段贴片之上，从而需对双层低频段贴片都加以开孔，以减小对各自下方的高频段贴片辐射的影响．文献［8］指出，在贴片上开孔会显著减小天线带宽，这也是以往开孔式双波段双极化共口径SAR天线中低频波段带宽较窄的原因之一．为验证这一想法，本研究已仿真了工作在L波段的两种双层贴片天线结构:双层贴片均开孔结构和双层贴片仅上层贴片开孔(单层开孔)的结构．在双层贴片间距相同的情形下，比较这两种结构的带宽差异．图1为这两种结构的S11仿真图，从图中可看出，单层开孔结构|S11|≤－10 dB的频率范围为1．16 ～1．35 GHz，相对带宽为 14．8%;而双层开孔结构|S11|≤ －10 dB的频率范围为 1．15～1．27 GHz，相对带宽为10．0%．可见，单层开孔结构带宽明显宽于双层开孔结构．

基于以上思路，本研究改变双波段双层贴片在层次安排上的顺序，将C波段双层贴片插入L波段寄生贴片与有源贴片之间，如此只需对上层L波段寄生贴片开孔，而不需对下层L波段有源贴片开孔，从而不但有效减小了开孔面积，而且使L波段双层贴片间距有所增大，从而展宽低频段带宽．将这种天线称为“单层开孔”式双波段双极化共口径SAR天线．

图1 L波段两种双层贴片结构的带宽比较Fig．1 Bandwidth comparisions of L-band stacked antennas in two structures

天线结构如图2所示，单元天线由下至上共有A，B，C，D 4层介质，E，F 层为空气层(见图2(a)中侧视图)，各层介质材料的参数如表2所示．天线共有4层微带贴片:L波段有源贴片和开孔寄生贴片，分别位于介质层A层上侧和D层下侧;C波段有源贴片和寄生贴片，分别位于B层上侧和C层下侧．地板位于介质层A层下侧，L波段有源贴片也作C波段单元的地板之用．L波段与C波段频率比近似为1∶4，布局上采用双层L波段方形贴片与双层2×2 C波段方形贴片构成的共口径结构，如图2(a)中顶视图所示，将各层拉开后的透视图如图2(b)所示(图中实线阴影线表示位于介质板上侧，虚线表示位于下侧)．

L波段有源贴片为一方形贴片，L波段寄生贴片为方形开孔贴片，其中有4个均布的小方形贴片开孔，可见L波段仅对单层寄生贴片层开孔．采用两个同轴探针对L波段有源贴片馈电，且两探针位置成90°对称，此正交馈电结构可实现L波段天线的双极化工作方式．可通过调节优化馈电点位置、贴片尺寸以及叠层贴片间距等方式实现良好的阻抗匹配．

C波段寄生贴片为4个对应于L波段寄生贴片开孔下方的小方形贴片，C波段有源贴片为4个分别带有L形匹配枝节的小方形贴片．L形匹配枝节由两段长方形贴片以90°连接而成，始端连接于C波段有源贴片，末端连接于从底层介质和贴片伸出的同轴探针上．为满足相位扫描需求，C波段贴片均采用独立馈电，每个贴片有2个成90°对称的馈电端口以实现双极化工作方式，故2×2个C波段贴片共需要8个馈电端口．C波段采用共面馈电与同轴馈电相结合的馈电方式［9］，同轴电缆穿过介质层A，B，与L形匹配枝节匹配，实现对C波段贴片馈电(见图2)．由于L波段有源贴片中心的TM01模电场值为0，要实现C波段馈电对L波段性能影响最小，可通过调节C波段贴片间距及8根馈电匹配枝节长度，使8根同轴电缆在L波段有源贴片中心附近穿过．因为此天线将应用于SAR相位扫描天线阵中，所以设计之初就应考虑C波段的单元间距．单元间距设计公式［10］:

式中，θM为设计的最大扫描角(从边射方向算起)．由于要求的最大扫描角为30°，按式(1)求得C波段单元间距不能大于37．7 mm，仿真后选定C波段单元间距为37．5 mm．经Ansoft HFSS11．0软件仿真优化后的天线尺寸列于图2下方．

图2 天线整体结构示意图Fig．2 Framework of the proposed unit cell

表2 介质材料参数Table 2 Dielectric material parameters

2 天线的仿真和实测结果

为验证该结构，本研究设计、加工并测试了一副L/C双波段双极化共口径SAR天线．天线实物图如图3所示．

图3 天线实物图Fig．3 Photos of the proposed antenna

图4 和图5分别为L波段与C波段仿真及实测的端口S参数．鉴于天线的对称性，为简便起见，L波段与C波段均只给出了一个端口的S参数仿真图．从图中的测试结果可以看到，L波段在1．19～1．36 GHz频带内满足|S11|≤ －10 dB，相对带宽达到13．7%，带内天线的极化隔离在－18 dB以下．C波段在4．76～5．65 GHz频带范围内满足|S11|≤－10 dB，相对带宽超过了17．0%，带宽内极化隔离在－19 dB以下．值得注意的是，C波段仿真S11曲线与实测仿真曲线变化规律较相近，但其频率上移了约100 MHz，这可能与相对介电常数不准确有关．

图4 L波段S参数仿真与测试结果Fig．4 Measured and simulated of L-band S parameters

图6 和图7分别给出了L波段与C波段2×2阵列的仿真和实测方向图，为简便起见，均只给出水平端口激励时的方向图．为了降低天线的交叉极化电平，C波段阵列采用倒相馈电技术［11-12］，其仿真交叉极化电平可达到－38 dB，实测交叉极化电平只在－22 dB以下，仿真与测试结果的差异可能来源于馈电网络设计与加工方面的问题．C波段主极化E面方向图的旁瓣电平较高，为此可将L波段有源贴片下方对应面积周围的接地板抬高至与之同水平。仿真结果表明，其旁瓣电平可降至与H面旁瓣电平差不多高［13］．L波段水平极化端口的交叉极化电平在－25 dB以下，当此天线应用于双波段双极化共口径SAR天线阵时，随着阵元数的增多，倒相馈电技术将进一步抑制交叉极化电平．通过标准喇叭比较法测得L 波段增益达到9．69 dBi，C 波段增益为10．30 dBi．

图5 C波段S参数仿真与测试结果Fig．5 Measured and simulated of C-band S parameters

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

3 结束语

本研究提出了一种新型“单层开孔”式双波段双极化共口径SAR微带天线设计方法．从仿真和实测结果来看，低频的L波段的相对带宽高达13．7%，与以往双波段双极化共口径SAR天线相比有较大改善．实测的L/C波段端口隔离度分别优于－18和－19 dB，增益分别为9．69 和10．30 dBi．实验结果验证了这一新设计的有效性．

由于本研究着重于展宽低波段带宽，其端口隔离度等性能有望在后续工作中进一步采取措施来改进．因此，这种宽带新设计对L/C波段双波段双极化共口径SAR天线的应用是具有潜力的．

图7 C波段方向图(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

国家自然科学基金资助项目(60871030，61171031);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA12Z125)

钟顺时(1939～)，男，教授，博士生导师，研究方向为电磁场与微波技术、现代天线理论与技术．E-mail:shshzhong@163．com