一种可用于SAR的双极化口径耦合天线单元

1、一种可用于SAR的双极化口径耦合天线单元商登鹏，傅光（西安电子科技大学 天线与电磁散射研究所，西安 710071）摘 要： 从实用角度提出了一种可用于合成口径雷达（SAR）的双极化口径耦合微带天线单元，采用时域有限差分法（FDTD），结合专门的仿真软件进行了天线的优化设计。结果证明这种天线的驻波比小于1.5的相对带宽达14.4%，隔离度在工作频带内优于33dB。关键词： SAR；FDTD；双极化天线A Dual-polarized Aperture coupled Microstrip Antenna in SAR SystemShang Dengpeng , Fu Guang (Resear

2、ch Institute of Antennas and EM Scattering, Xidian University, Xi'an 710071)Abstract: Based on FDTD and software emulator , a dual-polarized microstrip antenna capable of achieving a wide bandwidth , a high isolation and low backward radiation levels was designed. The antenna is proved with firm

3、ness, small size, good performance. Measured VSWR exhibits a bandwidth of over 14% and isolation is better than 33dB over the bandwidth.key words: SAR , FDTD , Dual-polarized antenna1 引言在合成口径雷达(SAR ) 系统中, 要求使用具有双极化、宽频带、高隔离度、高效率的有源相控阵天线。以往, 这种天线往往采用波导缝隙阵来实现 1 , 但是结构比较笨重, 加工复杂, 特别是用于卫星上时, 受到空间、重量等限制,

4、不能做得太大.因此目前的发展趋势是采用微带天线阵来实现这些功能 2, 3 , 它具有体积小、重量轻、易与有源器件相结合的优点。在设计这种相控阵天线时，其天线单元的设计至关重要，不仅要求单元具有好的隔离度和交叉极化特性以外，还要具有合理轻便的结构和较小的单元间互藕。传统的单层微带贴片单元具有带宽较窄的弱点4，因此目前普遍采用口径耦合微带天线来获取宽频带特性。本文将给出一种适用于SAR的双极化口径耦合微带天线阵的设计和结果。这种天线采用单层辐射贴片，与使用多层贴片技术相比，其结构简单牢靠，易于加工制作。天线的两种线极化状态分别由两个垂直交叉的矩形口径产生。 与文献5，6 提出的“H”形等几种其它形

5、状的口径相比，矩形口径更容易设计，同时也可以实现宽频带、高隔离度和高的交叉极化性能。在应用到相控阵时，这种天线单元间的互藕很小。本文从实用角度设计了这种天线，给出的结构参数和计算结果对天线的优化设计具有一定的指导作用。2 天线的结构a b图1 双极化天线的结构（a 俯视图, b 侧视图）Fig.1 Configuration of dual-polarized antenna (a Top view, b Side view) 这种天线的结构如图1所示，它由两层介质层（介质1，介质2）、两层空气层和一层接地板组成。 方形贴片位于介质1的下表面，边长a ,介质1还可以起到保护天线的作用,其介电常

6、数是,厚1 。介质1下面是厚3的空气层，它把介质1和介质2分开，微带馈线位于介质2的下表面，介质2的介电常数是，厚2 。介质2的上表面是开有“十”字形口径的接地面。辐射贴片由两个“十”字相交的缝隙馈电，两条缝隙的宽度是,长度分别是 1, 2 。垂直极化的缝隙由两个对称的馈电点馈电，其中心点的距离是d。为了抑制后向辐射，在介质2下方放置了一层金属板，同时也使天线的结构更加稳固可靠。介质2和金属板之间是厚4的空气层。 对口径耦合微带天线的分析方法主要有两类: 一类是积分方程法, 如矩量法。这类方法需要得到格林函数, 但是分层介质、多层导体结构的格林函数非常复杂。另一种方法是时域有限差分法(FDTD

7、)，它采用时间和空间的中心差分对Maxwell 方程直接离散化7,表述简明易懂，但是运算量非常大。使用FDTD 计算这种天线时，由于网格的划分和波源的设置会对计算结果产生一定的影响，所以本文在使用FDTD分析的同时，结合了基于矩量法的仿真软件Ensemble 。3 结果根据FDTD方法,结合专门针对微带电路的软件Ensemble , 设计和制作了这种天线。具体参数是：a0.2990 ，4.65 ，11mm ，39.5mm ，2.65 ，21mm ，47mm 。端口1激励的口径参数是:10.2770 ，0.01330 ，d12.25mm. 。端口2激励的口径参数是： 20.2560 ，0.013

8、30 。0 是中心频率点的自由空间波长。 所采用的FDTD网格空间为100x×180y×180z ，空间步长x0.24mm ，y0.25mm ，z0.25mm ，PML吸收层为5层，计算需要6000个时间步长。 在微带拐角处，由于采用的是45度拐角，所以在拐角处差分方程不做变化，只是边界条件要仔细处理。激励源采用Gauss脉冲，脉冲宽度T500ps 。首先将激励源设在端口1上，两次计算得到S11 ，S21以及此时的辐射方向图，然后将激励源设在端口2上，再两次计算得到S22 ，S12和相应的方向图。a b图2 天线的驻波比曲线 （a 端口1的驻波比， b 端口2的驻

9、波比）Fig.2 VSWR of dual-polarized antenna (a Port 1, b Port 2) 图3 天线的隔离度曲线 图4 天线的实物照片Fig.3 Isolation of dual-polarized antenna Fig.4 photograph of dual-polarized antenna图2和图3针对驻波比和隔离度比较了FDTD计算结果，Ensemble方针结果和实际测量的结果，横坐标是归一化的频率。实际测量结果显示，端口1驻波比小于1.5的 归一化频率范围从0.934到1.078,带宽达14.4% 。端口2驻波比小于1.5的归一化频率范

10、围从0.931到1.062,带宽达13.1% 。实际结果跟仿真软件的结果非常吻合，而跟FDTD计算结果相差较大。天线的隔离度在工作频带内优于33dB。图4是这种双极化单元的实际照片。4 结论 本文给出了一种高隔离度的宽带双极化微带天线单元的设计实例，实际测试结果实现了设计目标。这种天线采用口径耦合的馈电形式，单元体积和重量相对较小，结构比较简单可靠，并且很适于与有源电路相结合，比如功放电路，移相器等，因此可以组成宽带的高隔离的双极化微带天线阵列。在星载SAR的应用中，这种天线的优点更加突出。参 考 文 献 1 Jo sefsson L , Vant Klooster K . Dual pola

11、rized slotted waveguide SAR antenna . IEEE Antennas Propagat Symp, 1992. 625628. 2 Patel P D . A dual polarized microstrip antenna with low cross-polarization fo r SAR app licat ions . IEEE Antennas Propagat Symp , 1996. 15361539. 3 Rostan F, Wiesbeck W , Van Zly J J . Dual polarized L-band microstr

12、ip patch array for the AIRSAR/TOPSAR system . IEEE Antennas Propagat Symp, 1996. 22942296. 4 S.C.Gao ,L.W.Li ,T.S.Yeo and M.S.Leong . Low cost ,dual linearly polarized microstrip patch array . IEEE Antennas Propagat Symp , 2001. 2124. 5 Vivek Rathi ,Girish Kumar ,and K.P.Ray . Improved Coupling for Aperture Coupled Microstrip Antennas . IEEE Antennas Propagat Symp, 1996. 11961198. 6 S.C.Gao ,L.W.Li ,P.Gardner and P.S.Hall . Wideband dual-polarisede micr