用于机载SAR的UHF波段宽带双极化微带天线

用于机载SAR的UHF波段宽带双极化微带天线

卢晓鹏高初李雁

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230031）

摘要：本文提出了一种结构简单可用于机载SAR的UHF波段宽带双极化天线。通过将背腔技术、近耦合馈电技术、双层微带贴片技术以及四点馈电技术的有效结合，实现了低剖面、宽带、高隔离和低交叉极化的性能。对孤立单元及1×4小阵的仿真及测试结果表明，该天线在36.7%带宽内驻波比优于1.5、极化隔离优于55dB、交叉极化低于-25dB。

关键词：宽带；双极化；微带贴片天线；SAR

A UHF Microstrip Antenna with Wide-Bandwidth and Dual-Polarization for

Airborne SAR Application

Lu Xiaopeng Gao Chu Li Yan

( No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230031)

Abstract: A simple UHF Microstrip Antenna with Wide-Bandwidth and Dual-Polarization for airborne SAR application is proposed. By a combination of back-cavity, proximity coupling feeding, dual layer microstrip patch, and four-point feeding techniques, characteristics of low profile, broad bandwidth, high isolation and low cross-polarization is realized. From the simulation and experiment results of a single element and a 1 by 4 array, a VSWR lower than 1.5, a polarization isolation greater than 55dB, a cross polarization lower than -25dB are obtained. Key words: Wideband , Dual-Polarization, Microstirp Patch antenna , SAR

1 引言

机载合成孔径雷达(SAR) 有全天候、全天时的工作能力。随着SAR技术的成熟及应用推广，近年来该技术在地形测绘领域成为一大研究热点。对植被覆盖茂密的地区进行测绘，为获取准确的地表信息，应选用具有良好植被穿透能力的UHF波段SAR。而宽带、双极化的天线可提高SAR图像的分辨率及清晰度。因此，开发适用于机载工作平台的UHF波段宽带、双极化天线十分必要。

已见报道的宽带双极化天线形式主要有三大类，第一类是双极化裂缝波导天线[1]，第二类是双极化对称振子类天线[2-4]，第三类是双极化微带贴片天线[5-6]。裂缝波导天线的优点是效率高，缺点是带宽窄，最大带宽不会超过15%。同时由于波导尺寸限制，它不适用于UHF以下的低频天线设计。对于双极化对称振子类天线，其优点是带宽宽，缺点是天线剖面尺寸大，两种极化天线单元的波瓣一致性差。特别是当天线工作在UHF以下的波段时，由于载机平台限制，天线单元数较少，造成了两种极化状态下天线的波瓣宽度、背瓣及增益差异很大，不利于SAR的成像处理。而双极化微带贴片天线除了具有重量轻、加工简单等优点，还具有两极化面波瓣一致性好的特点，适合于双极化机载SAR天线的设计。但对于较低工作波段，由于微带板厚度的限制，使得常规微带贴片天线的工作带宽较窄。为解决该问题，文献[5]采用了背腔结构与锥形耦合探针馈电相结合的技术，在单层微带结构上实现了46%的工作带宽；文献[6]采用厚泡沫介质、与电容补偿探针馈电相结合的技术，实现了30%的工作带

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宽。为实现高隔离、低交叉极化的双线极化工作，两者皆采用两两反相的四点馈电技术；但它们的缺点是天线结构复杂，其中前者锥形馈电探针的加工及设计难度皆较大，而后者采用多层泡沫微带结构，加工精度差，使得天线的实测交叉极化性能较差。

本文提出了一种用于机载SAR的UHF波段双极化微带天线，通过有效结合背腔技术、近耦合馈电技术、双层微带贴片技术和四点馈电技术，充分利用微带贴片加工精度高的特点，实现了高隔离、低交叉极化的双极化天线，同时两极化天线的波瓣一致性较好。

2 单元结构及仿真设计

天线单元的结构组成如图1，整个天线由背腔式接地结构板、激励单元微带板、寄生单元微带板及四个激励探针组成。其中背腔接地结构板的作用是增加激励单元微带板的等效厚度，以提高天线工作带宽。而激励单元微带板采用文献[7]的近耦合馈电结构，以补偿激励探针所引入的寄生电感，实现宽带阻抗匹配。为进一步增加带宽天线采用双层辐射贴片结构，即在激励单元上方放置一寄生单元，实现多模谐振。为抑制正交模辐射，提高双极化天线的端口隔离、交叉极化及波瓣对称性，天线单元采用与文献[5,6]相同的四探针馈电方式，每种极化由相对探针反相激励。

图1 天线单元结构组成

整个天线的优化设计使用Ansoft公司的HFSS 软件完成，图2给出了一种极化端口的有源驻波仿真结果。由仿真结果可见该天线单元在38.6%的频带内驻波比优于1.5。3 天线阵设计及测试结果

利用此单元形式设计加工了一个用于机载SAR 的UHF波段双极化天线阵，该天线由方位向4个单元和距离向1个单元组成。天线由两个1：8微带功分网络通过同轴电缆进行馈电，每个功分网络四个输出口等幅同相，另四个输出口等幅反相。为简化天线结构将寄生单元与天线罩一体化设计，天线的实物照片如图3。

图2 天线单元端口有源驻波仿真结果

图3 1×4天线阵实物照片

在微波暗室内对该天线阵的各项技术指标进行测试，结果表明，该天线阵在36.7%的频带内，双端口驻波比优于1.5，双端口极化隔离优于55dB，两极化状态下两主面的交叉极化优于-25dB，副瓣电平优于-11.5dB，双极化天线增益在整个带内优于10.8dB。图4-7给出了天线主要技术指标的实测结果。

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