低剖面宽带双圆极化微带天线

彭 兰,卢晓鹏,周子成

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

低剖面宽带双圆极化微带天线

彭 兰,卢晓鹏,周子成

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

介绍了一种低剖面宽带双圆极化微带天线单元及四元阵列的设计。天线单元设计中采用L探针耦合理论和薄膜天线结构,增大天线带宽的同时实现低剖面;采用四点反相馈电技术有效抑制了交叉极化,增加了两个极化端口之间的隔离度。对孤立单元及1×4小阵的仿真及实测结果表明,该天线阵在33.3%的带宽内驻波比优于1.9,两端口隔离度小于-30 dB,轴比小于1.8 dB。

低剖面;L探针;薄膜天线;四点馈电;双圆极化;微带天线

0 引 言

作为遥感领域一种新的技术,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)除了能够提供高分辨率的目标图像外还具有全天候、全天时的优势,可以大范围地对全球进行观测成像。天线是决定合成孔径雷达性能最关键的子系统[1-2]。频谱资源日益紧张的现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能,能使其通信容量增加一倍。因此,要求天线能够同时实现宽带、双频、双极化等性能。为了便于折叠展开,还要求天线具备低剖面、小型化、质量轻等优势。

宽带双极化天线主要有3大类形式,第1类是双极化裂缝波导天线,第2类是双极化对称振子类天线,第3类是双极化微带贴片天线。大多数采用波导缝隙阵来实现[3-6],其技术相对而言较为成熟,能够实现良好的端口隔离和交叉极化特性,效率高。但是,其带宽窄结构较为笨重,加工复杂,无法应用在受到空间、质量等限制的卫星上。对于双极化对称振子天线,其优点是带宽宽,缺点是天线剖面尺寸较大且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以下的波段时受到载机平台的限制,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。因此,目前的发展趋势是采用微带天线阵。它具有质量轻、低剖面、易制造且易与飞行器表面共形的优点,适合做成大的共面阵,而且能够方便地实现双极化功能。因此,双极化微带天线成为目前研究的重点方向,而且在通信、雷达等领域获得了广泛应用。双极化微带天线在具备宽频带、高隔离度、低交叉极化等特性的同时具备小型化、低剖面是有一定的难度。近年来,国内外对此项工作进行了一系列的研究并取得了部分成果[7-12]。

本文提出了一种双极化微带贴片天线。首先采用四点反相馈电技术实现低交叉极化,然后使用L探针耦合馈电技术,同时采用薄膜天线技术替代常见的背腔耦合馈电方法。在提高带宽和增益、增加两个极化端口之间的隔离度的同时还大大减轻了天线的整体质量,并且实现了天线的折叠,达到减小存储体积的目的。最后给出了天线的实测结果。实验数据表明该天线阵具有低剖面、高隔离、低交叉极化和高一致性等诸多优良性能。

1 单元结构及仿真设计

天线单元的结构组成如图1所示。

(a)天线单元结构 (b) 天线单元结构

整个天线由激励单元微带板、薄膜天线及4个激励探针组成。其中激励单元微带板采用L探针耦合馈电结构[11],一方面,探针水平部分的电容可以补偿垂直部分产生的电感,从而达到宽带;另一方面,无接触馈电模式能够降低自感,以补偿激励探针所引入的寄生电感,实现宽带阻抗匹配。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,天线单元采用四端口反相馈电方式[12],通过探针垂直过渡方式将水平面的微带线转变为垂直方向的4个探针对薄膜天线进行耦合馈电。如图1(b)所示,每组微带线的两个输出端相位相差180°,在两组微带线输入端口之间增加1个90°电桥,通过改变电桥激励的方式实现左旋和右旋圆极化。同时,使用薄膜天线结构来达到低剖面、体积小、质量轻的目的。

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33.3%的频带内驻波比优于1.7。图3给出了该微带天线的中频方向图。

(a) 右旋圆极化端口有源驻波仿真结果

(b) 左旋圆极化端口有源驻波仿真结果

图3 天线中频方向图

2 天线阵设计及仿真结果

利用此单元形式设计加工了一个用于机载SAR的P波段双圆极化天线阵。该天线由方位向4个单元组成。天线用1个1∶8微带功分网络通过同轴电缆进行馈电,其中4个输出口等幅同相,另外4个输出口等幅反相。实物如图4所示。

(a) 天线实物图1 (b) 天线实物图2

在微波暗室内对该天线阵的各项技术指标进行测试。该1×4微带天线试验小阵的端口驻波测试结果如图5所示。由测试结果可见,该天线在500～700 MHz的频带内左旋圆极化端口驻波比和右旋圆极化端口驻波比均小于1.9。天线端口隔离度测试结果如图6所示。结果显示在频带内,隔离度均小于-30 dB。

(a) 左旋圆极化端口驻波测试结果

(b) 右旋圆极化端口驻波测试结果

表1和2分别给出整个天线小阵左旋、右旋圆极化带内方位向和俯仰向上的远场波瓣指标。可见该天线在500～700 MHz的频带内副瓣指标优于-11.0 dB,左旋、右旋圆极化的辐射方向图一致性很好。

表1 天线左旋圆极化的远场波瓣性能测试数据

表2 天线右旋圆极化的远场波瓣性能测试数据

天线轴比测试结果如图7所示。测试结果显示在500～700 MHz的工作带宽内,天线小阵法向的轴比均小于1.8 dB。

图7 天线轴比实测结果

3 结束语

本文提出了一种P波段的低剖面宽带双圆极化微带天线。通过将L探针近耦合馈电技术、薄膜天线技术以及四点反相馈电等技术有效结合,在33.3%的带宽内成功实现了1.9 dB以下的端口驻波、-30 dB以下的端口隔离度和较好的左右旋一致性辐射方向图。

[1] Chakrabarty S B,Klefenz F,Dreher A.Dual polarized wide-band stacked microstrip antenna with aperture coupling for SAR applications[C].Antennas and Propagation Society International Symposium,IEEE,2000,4:2216-2219.

[2] 孙竹,钟顺时,孔令兵,等.宽带双波段双极化共口径SAR天线设计[J].电子学报,2012,40(3):542-547.

[3] Laohapensaeng T,Boonying K.Dual-Polarized microstrip antenna with high isolation using an inserted slot[C].Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS),2011 International Symposium on.IEEE,2011:1-5.

[4] Bukhari H,Sarabandi K.Ultra-wideband printed slot antenna with graded index superstrate[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(10):5278-5282.

[5] Cho D,Lee H.Folded Corrugated SIW (FCSIW) Slot Antenna for Back-Lobe Suppression[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation letters,2013,12:1276-1279.

[6] Ali-Akbari E,Azarmanesh M N,Soltani S.Design of miniaturised band-notch ultra-wideband monopole-slot antenna by modified half-mode substrate-integrated waveguide[J].Microwaves,Antennas & Propagation,IET,2013,7(1):26-34.

[7] 梁仙灵,钟顺时,汪伟.高隔离度双极化微带天线直线阵的设计[J].电子学报,2005,33(3):553-555.

[8] 徐永杰,姜兴.Ku 波段宽带双频双极化微带天线阵的设计[J].电波科学学报,2010,25(1):146-150.

[9] 翟禹,苏东林.紧凑型毫米波双极化阵列天线[J].北京航空航天大学学报,2013,39(8):1058-1061.

[10] Gao S,Li L W,Leong M S,et al.A broad-band dual-polarized microstrip patch antenna with aperture coupling[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(4):898-900.

[11] Chakrabarti S.Development of shared aperture dual polarized microstrip antenna at L-band[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(1):294-297.

[12] Li S J,Gao J,Zhang Z,et al.Broadband and High-Isolation Dual-Polarized Microstrip Antenna with Low Radar Cross Section[J].IEEE antennas and wireless propagation letters,2014,13:1413-1416.

A low-profile wideband microstrip antennawith dual circular polarization

PENG Lan, LU Xiao-peng, ZHOU Zi-cheng

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

A low-profile wideband microstrip antenna element with dual circular polarization and 4-element array is designed. The L-probe coupling theory and thin-membrane antenna structure are adopted in the design of the antenna element to increase the bandwidth and get a low profile. The adoption of the four-point anti-phase feed technique effectively suppresses the cross polarization and increases the isolation between the two polarization ports. The simulation and test results of a single element and a 1 by 4 array indicate that the VSWR is better than 1.9, the isolation is lower than -30dB, and the axial ratio is lower than 1.8dB.

low profile; L probe; thin-membrane antenna; four-point feed; dual circular polarization; microstrip antenna

2016-09-19;

2016-10-20

彭兰(1988-),女,工程师,硕士,研究方向:雷达天线设计;卢晓鹏(1976-),男,研究员,研究方向:微波阵列天线;周子成(1983-),男,高级工程师,博士,研究方向:微波阵列天线。

TN82

A

1009-0401(2017)01-0034-03