西电 一种新型星载SAR宽带双极化微带天线.docx

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西电一种新型星载SAR宽带双极化微带天线

一种新型星载SAR宽带双极化微带天线

着眼于未来需求,星载SAR正朝着多极化、高分辨率和宽观测带的趋势发展。

天线作为星载SAR的重要子系统,对SAR的功能起着重要作用。

因此,具有大带宽、高隔离度、低交叉极化的微带天线被广泛地研究。

目前,宽带双极化微带天线馈电方式大都采用口径耦合形式,即在接地面上开两个形状完全一样,尺寸略微不同的垂直正交的“H”形或矩形口径进行能量耦合;辐射贴片采用了层叠结构,即在主辐射贴片上方增加相同形状但尺寸不同的寄生辐射贴片。

耦合馈电的方式和层叠结构在显著增加带宽的同时,也减小了伪辐射,有效地提高了端口隔离度。

对于双极化微带天线,通常最重要的指标就是交叉极化,如何抑制交叉极化电平始终是双极化天线研究的焦点。

近年来,一些学者将光子带隙结构（PBG）应用到天线设计中，从而有效地抑制表面波的影响,但是这种方法也带来天线结构过于复杂的弊端,尤其是对于大型天线阵列,这个问题更加突出。

此外,反向倒相技术被应用在阵列结构中,交叉极化也得到某种程度的抑制。

对于微带天线单元,良好的对称结构有利于高次模的抑制,从而对交叉极化性能有重要的影响。

那么有没有其他对称结构的天线单元形式具有良好的交叉极化性能呢?

基于这种思路,本文做了一些有益的尝试。

本文在采用口径耦合馈电方式和层叠结构的基础上,通过改变寄生贴片的形状,又保持天线整体良好的对称性,提出了一种新型宽带双极化微带天线单元。

计算结果表明:

其整体性能优于上述天线结构,兼有大带宽（双端口在VSWR<2时阻抗带宽分别为24%和23.1%）、高隔离度（带内优于-48dB,中心频率处达-52dB）、低交叉极化的特性（双端口E面和1端口H面在方位角为±40°内优于-53dB,2端口H面在方位角为±10°内优于-40dB），具有重要工程应用前景。

1　天线的设计

天线单元结构如图1～3所示,把天线主体剖分为八层,第一层和第四层分别为圆形寄生贴片和正方形主辐射贴片,第二、三、五、七层为介质层,第六层为接地面,其上面开有两个正交的矩形孔径,馈线通过孔径耦合能量,从而激励起两种正交模式,实现垂直和水平极化工作状态。

第八层为馈电层,本文通过在开路线终端加可调枝节的方式,使馈线、孔径、贴片达到良好的匹配。

对于介质板的选择,贴片层介质板主要影响天线的阻抗带宽,主要表现在带宽与介电常数成反比,与厚度成正比。

但是,介质板厚度的增加也会使表面波增强,从而导致天线增益和极化纯度的降低。

对于接地板层介质,由于孔径的存在,馈线能量在向上辐射的同时,也会经天线再次反向向下辐射,表现为背瓣过大,增益降低。

所以,我们采用较薄的高介电常数介质板来增强介质对场的束缚,从而达到减小背向辐射。

鉴于上述原因,本文设计天线中第二、五层介质板选用Duroid5880,第三层介质板选用泡沫,第七层介质板选用陶瓷板。

天线工作中心频率为514GHz,传输线模型公式为：

其中,

分别为真空中光速、天线工作中心频率、等效介电常数、辐射边缘场的补偿尺寸。

通过迭代式

（1）～（4）可以求出正方形贴片边长L。

a为圆形贴片的有效半径,µmn为J′n（x）的第m个零点,由于圆形寄生贴片工作的主模为TM11模,所以取

可以查表取1.8412,通过迭代式（5）、（6）可求出圆形贴片物理半径a′。

选用Designer软件进行仿真。

在仿真过程中,可以理解为天线整体有三个谐振器,即两个贴片和口径都有自己的阻抗环,窄阻抗环由谐振器间的弱耦合产生,宽环相应的由紧耦合或过耦合谐振产生。

通过调节谐振器参数使阻抗环彼此接近。

就宽带而言,从smith图中表现为这些环应该彼此靠拢并近似环绕于中心,圆的半径应该小于2,即VSWR<2。

在优化设计时,应该特别强调下帖片的尺寸,其处在整个耦合网络的中心,对上下两个谐振器都有影响。

对于两个孔径和馈线,我们先确定馈线和孔径的宽度,根据初始情况调节馈线开路端长度和孔径的位置、长度。

在调节过程中可以发现一些近似的规律,如输入阻抗实部随孔径的长度增加而增加,随孔径位置偏离贴片边缘的距离增大而降低;虚部随开路线长度增加呈感性趋势变化;隔离度随两个孔径的位置的接近而降低;交叉极化电平随孔径偏离贴片中心的距离增加而升高。

软件优化后的天线结构参数为:

分别为第二、三、五、七层介质板的介电常数和厚度,

分别为馈线宽度、孔径宽度、开路枝节的宽度、孔径中心到1端口的距离、开路线长、孔径长度、孔径中心到2端口的距离,R为圆形贴片直径。

2　参数分析与计算结果对比

该新型天线单元与SSFIP结构有很多相似之处。

对于SSFIP结构,从1988年被JeanFrancoisZurcher首次提出至今,国内外很多学者做了相关研究。

对于这种天线结构的参数分析主要集中在耦合口径的尺寸、位置、馈线的尺寸、开路端距离中心的长度、上下辐射贴片的尺寸、相对大小等对驻波、阻抗的影响。

该天线在仿真过程中也对这些参数进行了研究,很多现象与已有研究结果相吻合,上面已经提到,限于篇幅这里不再赘述。

由于新型天线与常见的天线主要不同是寄生贴片与主辐射贴片形状不同,这里着重对圆形寄生贴片的半径进行了分析。

如图4、5、6分别为半径为9.2mm、11.2mm、13.2mm时天线输入阻抗的史密斯圆图。

从图中可以看出,圆形寄生贴片的大小对天线中主辐射贴片的耦合影响较大。

从阻抗环可以看出,当半径为9.2mm时,阻抗环仅有一个宽环,这说明此时天线谐振器中主要体现为下层方形主辐射贴片同孔径的耦合,其与上层圆形寄生贴片的耦合很弱。

当半径为13.2mm时,此时出现一大一小两个阻抗环,且大阻抗环大于半径为9.2mm时的阻抗环,这表面圆形寄生贴片面积的增大导致整个天线谐振器之间耦合增强,但主辐射贴片与寄生辐射贴片、主辐射贴片与口径之间能量的耦合不均衡,两个辐射贴片之间呈过耦合状态。

当半径为11.2mm时,两个阻抗环彼此接近,且大部分位于圆图中心半径等于2的圆内,此时上下辐射贴片和口径之间辐射能量均衡,达到最佳谐振状态。

为了便于结果对比,定义新型天线单元（寄生贴片为圆形）为A型,将圆形寄生贴片换为正方形寄生贴片,其他结构保持不变,从而构成另一种天线单元,定义为B型。

对于B型天线单元,仅微调正方形寄生贴片的尺寸和孔径的位置使该天线同样达到最优的匹配状态。

图7显示两种天线单元的双端口驻波特性,图中表明VSWR<2时,A型天线1端口和2端口阻抗带宽分别为24%（从4175GHz到6105GHz）和23.1%（从418GHz到6105GHz）,中心频率为514GHz,B型天线1端口和2端口阻抗带宽分别为24%（从417GHz到6GHz）和21.3%（从418GHz到5195GHz）,中心频率也为514GHz,在带宽上,A型天线比B型天线略优。

图8显示天线单元双端口隔离度,从中看出,在带内,A型天线隔离度低于-48dB,中心频率处为-52dB,均明显优于B型天线。

图9和10为双端口E面的极化方向图。

可以看出,A型天线单元1、2端口E面交叉极化电平分别优于-55dB和-50dB,最好达-61.3dB和-53.6dB,而B型天线单元仅优于-40dB和-41dB,最好达-4312dB和-4511dB,明显逊于A型天线单元。

图11为两种天线单元1端口H面极化方向图。

图中显示,A、B型天线单元1端口H面交叉极化电平分别优于-55dB和-42dB,在0°到-40°之间,差距更明显。

图12显示2端口H面极化方向图。

在±10°内,两种天线交叉极化电平均优于-40dB,在0°附近交叉极化电平更低,两种天线交叉极化电平相近。

造成H面交叉极化电平较高的原因是为了达到良好的阻抗匹配,使2端口耦合孔径的位置偏置贴片中心距离过大,相对于1端口,对称性变差。

另外,笔者还同时提出并研究了另一种新型天线单元:

正方形主辐射贴片加载圆环寄生贴片。

为了验证其准确性,计算采用基于另一种算法的HF2SS高频电磁仿真软件。

计算结果同样显示:

在正方形-正方形、圆形-圆形、正方形-圆形、正方形-圆环四种不同结构天线单元中（四种不同天线单元主辐射贴片参数及所用介质板材完全相同,寄生贴片形状不同,馈线等其他参数仅做细微调谐以使天线达到最佳匹配状态）,正方形-圆形、正方形-圆环两种天线单元交叉极化性能优于另外两种天线单元。

四种天线单元性能对比如表1：

3　结　论

通过改变寄生贴片的形状,使之既具有良好的对称性,又与主辐射贴片形状不同,从而提出了一种新型结构的天线单元。

同时与另一种结构较常见的天线单元进行了对比,结果表明新型天线单元在带宽、隔离度和交叉极化特性上均优于普通常见天线结构,其中交叉极化最为突出,优于-5dB左右。

由于从阻抗曲线来看每种天线都匹配良好,且阻抗曲线实部、虚部无较大起伏偏差,因此可以认为阻抗匹配不绝对相同导致天线性能差异的影响较小。

新型天线单元交叉极化电平更低可能是由于两种不同形状的贴片激励起不同的主模和高次模,从而使交叉极化分量得到部分抵消。

详尽的理论分析有待于加工测试后进行更深入的研究。

但单从仿真计算结果已经能够说明新型天线具有可行、重要的现实意义,其性能能够满足未来星载SAR的工程需要,具有重要工程应用前景。