可收拢展开的宽带双圆极化柔性薄膜天线

詹珍贤，张轶江，赵 宁

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

可收拢展开的宽带双圆极化柔性薄膜天线

詹珍贤，张轶江，赵 宁

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

星载相控阵雷达因其平台的特殊性要求其天线具有大型轻质、可收拢展开的特点。设计了一种可收拢展开的宽带双圆极化柔性薄膜天线。天线各层均采用柔性薄膜材料制作，相邻层间为空气，因此天线整体为柔性可收拢展开。采用两相互垂直的“H”形缝隙和双层微带贴片结构，并结合3 dB电桥实现了宽带和高隔离度的双圆极化。仿真和测试结果表明，该薄膜天线单元两馈电端口驻波小于2的相对带宽约为36%，极化隔离度大于32 dB，并给出了天线单元双圆极化波瓣方向图的测试结果，其3 dB波瓣宽度为64°，天线单元增益为6.2 dB，并设计了天线小阵。

柔性天线；薄膜天线；双圆极化；微带天线

0 引 言

随着相控阵雷达和通信系统的快速发展，特别是基于天基平台的星载相控阵雷达，除了要求天线具有更大的面积、更轻的质量，还要求天线具有可收拢展开的特性，在发射升空时可以收拢以满足小包络体积的平台要求，而在轨工作时则要求展开以实现大孔径面积。目前，国外的星载大孔径相控阵天线通常采用轻型板状的波导缝隙天线、充气薄膜反射面天线和柔性薄膜相控阵天线[1-3]等形式。其中，柔性薄膜相控阵天线不仅继承了有源相控阵天线的优良性能，而且具有质量超轻、收拢体积小、制作和发射成本低等诸多优点，因此成为下一代星载相控阵雷达天线的发展方向[4]。

根据已有星载SAR系统的成像结果[5]，由于电磁波在低频段具有穿透能力，P波段SAR可以实现对叶簇覆盖目标和地表下浅层目标的远距离成像，可以在生物量调查、自然灾害监测等民用领域和反伪装、叶簇穿透探测隐蔽目标等军事活动中发挥重要作用。另外，由于线极化电磁波在穿透电离层时因法拉第旋转效应所带来的极化失配损失较大[6]，通常要求星载雷达天线采用圆极化的工作方式。因此，本文设计了一种基于柔性薄膜结构的可收拢展开的P波段宽带高隔离度的双圆极化天线，采用一对“H”形缝隙口径耦合馈电和双层微带贴片获得了较大的带宽和较高的隔离度。并在柔性薄膜介质材料上加工微带贴片，且相邻层间为空气，不仅极大减轻了天线重量，而且天线整体呈柔性可收拢展开，减小了存储体积，可以满足星载相控阵雷达天线的特殊需求。

1 天线单元设计

图1 天线单元结构图

本天线单元采用“H”形缝隙口径耦合馈电。该结构形式可减小馈电网络的寄生辐射[7]，易实现宽频谐振，降低交叉极化，并采用双层方形微带贴片以扩展带宽。天线单元结构示意图如图1所示，由3层柔性薄膜组成，第1层和第2层为加工在厚度0.05 mm的聚酰亚胺薄膜介质材料上的方形微带天线贴片。上层为寄生贴片，下层为激励贴片，上层贴片通过与下层贴片的耦合来获得激励，两贴片的谐振频率临近，以形成双峰宽频带谐振特性。第3层的上表面为开有一对垂直“H”形缝隙的接地金属薄膜，下表面为微带馈线，缝隙层和馈线层由厚度2 mm、介电常数1.08的柔性泡沫材料粘接隔开，通过缝隙口径耦合为贴片馈电，同时两缝隙正交放置，激励出空间正交的场，实现双极化。各相邻层间均为空气介质，减小了天线的相对介电常数，降低了微带天线谐振空腔的Q值[8]，可以进一步扩展带宽。两极化端口采用共面馈电，结合3 dB电桥可实现圆极化，其馈电方式易于组成大型阵列，以满足天基雷达系统作用距离远、监视范围大和高增益的需求。

对星载SAR系统而言，P波段电磁波在穿透电离层时的法拉第旋转效应非常严重，极化矢量的法拉第旋转将修改电磁信号的极化与相位特性。对于线极化电磁波，受穿透电离层时法拉第旋转效应的影响，在接收点处的合成波将表现为椭圆极化，其椭圆长轴随传播条件的变化而不断旋转。当合成波的极化椭圆长轴与接收天线的极化方向相同时，接收机的输入电压达到最大；当合成波的极化椭圆长轴与接收天线的极化方向垂直时，接收机的输入电压最小，从而使接收的信号幅度发生极化失配衰落现象，接收功率减小。而对于圆极化电磁波，则可以克服法拉第极化旋转对接收信号功率的影响。

图2 双圆极化实现原理图

因此，本天线采用圆极化工作方式，发射信号左旋/右旋圆极化可选择，接收信号左旋、右旋圆极化同时接收，其双圆极化的实现原理如图2所示。发射时，电磁波发射信号经过环行器和3 dB电桥后传输至天线的两个极化馈电端口，使两极化端口的馈电信号幅度相等、相位相差90°，从而实现圆极化辐射，并通过开关实现左旋/右旋圆极化发射可选择。接收时，两极化端口接收到的两路等幅同相的信号经过3 dB电桥和两个环行器后输出至接收机，从而实现左旋、右旋圆极化电磁波的同时接收。

2 单元仿真及测试结果

通过电磁仿真软件HFSS建模进行仿真，可以优化天线单元的各结构尺寸以改善阻抗匹配和最佳耦合距离。经仿真优化设计后天线单元两馈电端口的电压驻波比曲线如图3所示，垂直极化端口和水平极化端口在355～500 MHz频率范围内的仿真驻波小于2，相对带宽为34%。制作完成的单个天线单元的实物照片如图4所示。

图3 两馈电端口驻波仿真结果

图4 天线单元实物照片

由于先期仅制作单个天线单元，因此暂时没有制作展开机构及张拉框架，而是采用介电常数与空气相近的泡沫材料代替各相邻层间的空气介质。在微波暗室内对该薄膜天线单元的各项性能指标进行了测试。其两个馈电端口的电压驻波比测试曲线如图5所示，垂直极化端口在346～500 MHz频率范围内的驻波小于2，相对带宽为35.8%；水平极化端口在347～504 MHz频率范围内的驻波小于2，相对带宽为36.5%。两馈电端口驻波的测试曲线与仿真曲线基本吻合，阻抗带宽向低频略有展宽，具有多谐振特性，但是水平极化端口的驻波比在390～430 MHz之间略有抬高。两馈电端口的极化隔离度的测试曲线如图6所示，在测试带宽内的极化隔离度大于32 dB。在中心频率430 MHz处，该薄膜天线单元左旋、右旋双圆极化的波瓣方向图测试结果如图7所示，两波瓣形状基本吻合，其3 dB波瓣宽度约64°，增益约6.2 dB。可见，该薄膜天线具有宽频带、高隔离度和高增益等优点。

图5 两馈电端口驻波比测试结果

图6 两馈电端口极化隔离度测试结果

图7 天线单元双圆极化波瓣测试结果

3 天线小阵设计

基于该天线单元，设计了8×6单元的天线小阵，方位向每行8个单元的两个极化端口分别由两个微带功分网络集成馈电。在HFSS软件中对该天线小阵进行仿真，各馈电端口的电压驻波比曲线见图8，各端口在360～495 MHz频率范围内的驻波比小于2，相对带宽约31%。由于各相邻层间为空气介质，天线整体呈柔性，可以折叠或卷曲收拢以减小存储体积和重量，满足星载平台发射升空时的特殊要求；在轨工作时由展开机构展开以实现大孔径面积，并通过张拉装置使天线阵面达到预定张力绷紧保持平面，同时使天线各层之间保持固定间距(图9)，从而满足星载雷达有源相控阵天线特殊的存储和工作要求。

图8 天线小阵各端口驻波比曲线

图9 天线小阵结构模型

4 结束语

本文应用口径耦合理论和多层贴片结构设计了一种P波段宽带高隔离度的双圆极化柔性薄膜天线。采用缝隙口径耦合和双层微带贴片结构形式增大了带宽和极化隔离度，并结合3dB电桥实现了双圆极化。仿真及测试结果表明，该天线的相对阻抗带宽达36%，极化隔离度大于32dB，天线单元增益6.2dB，说明该天线具有宽频带、高隔离度和高增益等优点。天线各层均采用柔性薄膜材料，相邻层间为空气介质，使天线具有整体柔性、可收拢展开、存储体积小、重量轻等特点，可以满足星载相控阵雷达天馈系统的特殊需求。

[1] HUANG J, LOU M, FERIA A, et al. An Inflatable L-Band Microstrip SAR Array[C] // IEEE AP-S Symposium, Georgia, 1998: 2100-2103.

[2] HUANG J, FANG H, LOPEZ B, et al.. The Development of Inflatable Array Antennas[C]//Space 2003 Conference and Exhibit, AIAA 2003-6320: 1-7.

[3] HUANG J. Paper-thin Membrane Aperture-Coupled L-Band Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2005, 53(8): 2499-2502.

[4] 于大群，朱瑞平，夏琛海. 薄膜天线单元的初步研究[J]. 现代雷达，2009，31(10): 83-85.

[5] RIGNOT J, ZIMMERMANN R, VAN J. Spaceborne Applications of P-Band Imaging Radars for Measuring Forest Biomass[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995, 33(5): 1162-1169.

[6] 赵宁，谈璐璐，张永胜，等. 星载P波段SAR电离层效应的双频校正方法[J]. 雷达科学与技术, 2013, 11(3): 255-261.

[7] BALANIS C. Modern Antenna Handbook[M]. NJ：John Wiley & Sons, 2008.

[8] 钟顺时. 天线理论与技术[M]. 北京：电子工业出版社，2011：268-286.

Deployable dual-circularly-polarized wideband flexible thin film antenna

ZHAN Zhen-xian, ZHANG Yi-jiang, ZHAO Ning

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

The antenna of the space-borne phased array radar is large, light and deployable because of its special platform. A dual-circularly-polarized wideband flexible thin film antenna is designed. Each layer of the antenna is made of flexible thin film materials and there is air between adjacent layers. Therefore, the entire antenna is flexible and can be folded and deployed. Two vertical H-shape slots, double-layer microstrip patch, and 3dB electric bridge are adopted to realize dual circular polarization with wideband and high isolation. The simulation and test results show that the relative bandwidths of the two feed ports are about 36% when the VSWR is below 2, and the isolation between the two polarization ports is better than 32dB. The results of the antenna element dual-circularly-polarized beam patterns show that the beam widths at 3dB are 64°, and the gain of the antenna element is 6.2dB. The antenna array is also designed.

flexible antenna; thin film antenna; dual-circular polarization; microstrip antenna

2014-04-28

詹珍贤(1982-)，男，工程师，博士，研究方向: 有源相控阵天线；张轶江(1978-)，男，高级工程师，硕士，研究方向：阵列天线；赵宁(1973-)，男，高级工程师，博士，研究方向：SAR。

TN822

A

1009-0401(2014)03-0027-03