CN101814658A - S/x双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器阵列天线。它由6层介质层构成，其中4层为介质基板，另外2层为硬泡沫材料。S波段单元为双层微带振子，每层都有两个正交放置的金属振子以实现双极化工作，采用微带线以邻近耦合方式对下层振子馈电；X波段单元为介质谐振器天线，用H形缝隙-平衡缝隙双端口馈电方式来实现双极化功能。每两个S波段单元之间放置3个X波段单元，其中S波段振子的寄生单元位于天线最上层，泡沫层下为馈电振子；S波段振子和X波段介质谐振器天线共用一个金属地板。阵列的馈电采用了成对倒相馈电方式；X波段口径耦合馈源采用了专用同轴连接器。该天线具有宽频带、高隔离度、低交叉极化和相位中心稳定等优点。

Description

S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器阵列天线

技术领域

本发明涉及一种S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器天线(DRA)阵列，该天线阵既可用于接收也可用于发射无线电波。它可用作合成孔径雷达(SAR)的S/X双波段双极化天线。在军用领域，可用来对全球进行大范围的观测成像，侦测并辨认敌方的军事、经济目标；在民用领域，对地球科学、地形学、生态学、水文学、农业、自然灾害研究等各个方面都有着重要的应用。

研究背景

近三十年来，西方发达国家在合成孔径雷达(SAR)技术的研究上投入了相当大的科研力量，研制出了一批技术领先、性能卓越的SAR系统。SAR天线是决定合成孔径雷达性能最关键的子系统，天线的好坏直接影响了系统的灵敏度、距离和方位分辨率、成像模糊度及测绘带宽等性能。由于SAR系统必须搭载在飞机和卫星上，所以对载荷提出了严格的限制，波导缝隙阵天线结构笨重、不易加工的缺点严重制约了它在这些场合的应用。目前微带天线(钟顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991)逐渐成为SAR天线发展的主流。

SAR最常用的频段为L(中心频率1.275GHz)、S(中心频率3GHz)、C(中心频率5.3GHz)和X(中心频率9.6GHz)。当前在轨工作的SAR系统大多是单波段、单极化的，但是多波段工作对不同的反射体提供良好的扫描分辨率、穿透性和反射数据；多极化可以提高信息量；共用口径可以共享天线阵后面的许多雷达分系统，减小了重量和体积。可以预见，多波段、多极化、共口径将成为下一代SAR天线的发展趋势。对于采用微带天线的SAR系统，天线单元一般采用微带贴片、振子或缝隙。国内外公开发表的文献中介绍了以下几种常见的结构：打孔贴片结构、十字贴片结构、贴片与缝隙(振子)交织结构等。文献(L.L.Shafai，W.A.Chamma，M.Barakat，P.C.Strickland and G.Seguin，“Dual-band dual-polarized perforated microstripantennas for SAR applications”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，48，2000，pp.58-66.)采用L/C波段打孔贴片结构，孔的尺寸越大，L波段贴片的带宽越小，辐射方向图也会受到影响。文献(R.Pokuls，J.Uher and D.M.Pozer，“Dual-frequency and dual-polarizationmicrostrip antennas for SAR applications”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Vol.46，Sep.1998，pp.1289-1296)采用L/X波段打孔贴片改进型结构，在L波段单元四个角上采用了调谐枝节来调节谐振频率，无须对整个贴片的尺寸进行调整，缓解了单元间距小对布线带来的压力。在阻抗匹配枝节的设计上也考虑到了空间狭小的问题。文献(C.Salvador，L.Borselli，A.Falciani and S.Maci，“Dual-frequency planar antenna at S and X bands”，ElectronicsLetters，Sept.28，1995，pp.1706-1707.)采用S和X波段的十字贴片结构，但S波段贴片的存在将影响X波段贴片的方向图。文献(D.M.Pozar，D.H.Schaubert，S.D.Targonski and M.Zawadzki，“A Dual-band Dual-polarized Array for Spaceborne SAR”，IEEE Int.Symp.onAntennas and Propag.，Vol.4，June 1998，pp.2112-2115)采用L波段贴片和C波段缝隙交织结构，由于C波段单元间距很小，馈线间的耦合很严重。另外，采用串馈谐振网络馈电，其带宽有限，方向图随着频率的变化会产生倾斜。作为改进，文献(钟顺时、瞿新安、张玉梅和梁仙灵，“共用口径S/X双波段双极化微带天线阵”，电波科学学报，23(2)，2008：305-309；Xinan Qu，Shun-Shi Zhong，and Yu-Mei Zhang，“Design of an S/X Dual-band Dual-polarisedMicrostrip Antenna Array for SAR Applications”，Electronics Letters，Vol.42，2006，pp.1376-1377)采用贴片与振子交织结构。S波段用正交振子作为辐射单元，减小了振子占用的空间和双极化间的耦合；X波段的辐射单元为方形贴片，实现了共口径和单元间距要求。该天线实现了宽带宽，高隔离度和低交叉极化电平的性能。

随着SAR天线的飞速发展，对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求。虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻重量等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，但由于在高频段金属欧姆损耗高和在低频段天线几何尺寸大这两个关键性技术瓶颈的存在，其发展和应用也受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器天线阵，具有低交叉极化、高端口隔离度、宽频带、方向图和相位中心稳定等特点。

本发明构思如下：本发明采用介质谐振器天线作为高频X波段单元，低频S波段采用微带振子来实现，天线采用交织结构。天线两个波段间频率比大，且为奇数比1∶3，天线阵采用交织结构，两个S波段单元(中心频率3GHz)之间放置3个X波段单元(中心频率9.6GHz)。S波段单元为微带振子，它与微带贴片和缝隙相比，不仅结构简单，占用空间小，不需要背面的反射板，而且其长度还可在较大幅度内调节。X波段单元采用DRA，具有尺寸小、成本低、容易激励、无导体损耗和不激励表面波等优点。S波段的双极化利用两条独立的正交振子来实现，X波段的双极化通过双端口正交馈电在同一个单元上实现。为了展宽S波段单元带宽，采用双层振子结构。阵列要实现二维扫描，必须在各单元双端口上接同轴接头，然后外接功分器和移相器，共需四套独立的馈电网络。为了缓解布线时空间拥挤的问题，天线和馈电网络最好分布在不同的介质层上，为此本天线采用6层结构。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器阵列天线，包括S波段单元和X波段单元，由6层介质层构成，采用交织结构。其特征在于：

1.所述S波段单元为位于所述6层介质层中第6介质层和第4介质层上的双层微带振子，每层都有两个正交放置的金属振子以实现双极化工作；采用微带线以邻近耦合方式对下层振子馈电，下层振子为馈电振子，上层振子为寄生振子；

2.所述X波段单元为介质谐振器天线，用位于6层介质层中第1介质层下方的双端口馈电方式来实现双极化功能，其中垂直极化用H形缝隙馈电，水平极化用二平衡缝隙馈电；

3.所述采用交织结构为：每两个所述S波段单元之间放置3个X波段单元，其中S波段单元的寄生振子位于天线最上层，所述6层介质层中第5介质层为硬泡沫材料层，其下为馈电振子；S波段单元振子和X波段单元介质谐振器天线共用一个金属地板；

4.所述6层介质层中第1、2、4、6介质层为介质基板，另外二层介质层为硬泡沫材料层；

所述X波段单元每个端口的馈电采用一个专用同轴连接器，该同轴连接器一边的外导体切去，使外导体与内导体构成的同轴线与微带线之间的连接线仍具有半个外导体，同时在微带线上加一矩形金属贴片实现匹配。

定义λ_s为S波段真空中的中心波长，λ_x为X波段真空中的中心波长。

上述的S波段微带振子如图2(a)所示，其尺寸为：下层振子(12)长度a≈b≈(0.371±0.002)λ_s，上层振子(11)长度pa≈pb≈(0.383±0.008)λ_s，二者宽度分别为w₁≈w₂≈(0.022±0.004)λ_s，wl₁≈wl₂≈(0.193±0.018)λ_s，馈线采用50Ω微带线。

上述的X波段介质谐振器天线(21)如图3所示，其尺寸为：a≈b≈0.192λ_x，ε_r≈8，l₁≈(0.125±0.001)λ_x，w₁≈(0.022±0.001)λ_x，l₂≈(0.208±0.001)λ_x，w₂≈(0.022±0.001)λ_x，ls₁≈0.09λ_x，ls₂≈0.09λ_x，nl₃+nl₄≈(0.283±0.001)λ_x，dx≈0.227λ_x，两个极化端口馈线采用50Ω微带线。

阵列单元间距：d_x≈0.73λ_s，d_s＝3d_x。

介质基板(1，2，4，6)参数：相对介电常数为2.9～3.38，其损耗角正切不大于10^-3。泡沫层(3，5)的相对介电常数为1.07，1～6各层的厚度分别为h₁≈0.016λ_x，h₂≈0.005λ_s，h₃≈0.022λ_s，h₄≈0.005λ_s，h₅≈0.06λ_s，h₆≈0.005λ_s。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明采用双层振子来展宽S波段的带宽，实现较大的阻抗带宽；天线采用正交放置的振子天线来实现双极化，具有高隔离度、低交叉极化和相位中心稳定等优点；本发明在X波段对介质谐振器单元采用H形缝隙-平衡缝隙双端口耦合来实现双极化性能，具有频宽宽、隔离度高、低交叉极化和相位中心稳定等优点；本发明天线在S和X双波段内具有较稳定的方向图和增益；在X波段具有一维大角度扫描能力。

附图说明

图1是本发明的天线阵结构视图，图1(a)为天线面板的正视图，图1(b)为天线的侧视图。

图2是本发明的天线阵S波段结构视图，图2(a)为天线S波段结构的正视图，图2(b)为天线S波段结构的侧视图。

图3是本发明的天线阵X波段结构视图，图3(a)为天线X波段结构的正视图，图3(b)为天线X波段结构的侧视图。

图4是图1所示天线S波段仿真方向图，其中图(a)为E平面，图(b)为H平面。

图5是图1所示天线X波段仿真方向图，其中图(a)为E平面，图(b)为H平面。

图6是图1所示天线S波段仿真回波损耗和端口隔离度图。

图7是图1所示天线X波段仿真回波损耗和端口隔离度图，其中图(a)为垂直极化回波损耗，图(b)为水平极化回波损耗，图(c)为端口隔离度。

图8是图1所示天线X向水平极化仿真扫描方向图。

图9是图1所示天线的仿真增益图，其中图(a)为S波段增益曲线，图(b)为X波段增益曲线。

图10是自制专门设计的专用同轴连接器的垂直过渡结构图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例：参见图1、图2、图3和图10。本S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器天线阵，其S波段单元为位于所述6层介质层中第6介质层和第4介质层上的双层微带振子，每层都有两个正交放置的金属振子以实现双极化工作；采用微带线以邻近耦合方式对下层振子馈电，下层振子为馈电振子，上层振子为寄生振子。

天线的设计参数为a、b、pa、pb、w₁、w₂、wl₁、wl₂、l₁、w₁、ls₁、l₂、w₂、ls₂、nl₃、nl₄、dx、d_s、d_x及介质板厚度h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆，相对介电常数ε_r、ε_rs1、ε_rs2、ε_rs3、ε_rs4、ε_rs5、ε_rs6(见图1、图2和图3所示)。采用图1所示的结构，只要合理选择参数，就可以实现宽带阻抗特性，并且在其阻抗带宽内具有高隔离度、低交叉极化和较高的增益。

一般的双波段双极化天线阵指标为阻抗带宽、隔离度、交叉极化电平、方向图和增益。下面将叙述如何根据要求来设计该形式的天线。

1.天线参数的确定(见图1、图2和图3)：根据理论分析和实验经验来确定a、b、pa、pb、w₁、w₂、wl₁、wl₂、l₁、w₁、ls₁、l₂、w₂、ls₂、nl₃、nl₄、dx、d_s、d_x、h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、ε_r、ε_rs1、ε_rs2、ε_rs3、ε_rs4、ε_rs5、ε_rs6的值。本发明天线阵有两个波段，为了实现相位扫描性能，天线的单元都必需接独立的功分器和移相器，首先分别设计两个波段单元，然后再进行阵列设计。对于S波段，这里采用双层振子来展宽带宽，同时还采用了2块厚泡沫材料来增加天线的厚度，降低了天线等效介电常数和Q值，从而展宽了带宽。该双层微带振子的下层振子比上层振子稍长，调节两个振子使谐振在S波段中心工作频率附近，一般取a≈b≈(0.371±0.002)λ_s，pa≈pb≈(0.383±0.008)λ_s。振子的宽度越宽，天线带宽越大，由于要应用到阵列中，一般取w₁≈w₂≈(0.022±0.004)λ_s。天线不能直接匹配到50Ω馈线系统，这里采用平衡匹配枝节来匹配天线的电抗部分，一般取wl₁≈wl₂≈(0.193±0.018)λ_s。对于X波段的垂直极化和水平极化，都是通过调节缝隙的长度和宽度，可以获得充足的耦合量来激励其DRA。对于垂直极化，由于激励缝隙位于DRA正下方，馈线和DRA容易获得很强的耦合，一般取l₁≈(0.125±0.001)λ_x，w₁≈(0.022±0.001)λ_x。对于水平极化，激励缝隙位于DRA边缘，馈线和DRA之间耦合较弱，需增大缝隙长度和宽度，一般取l₂≈(0.208±0.001)λ_x，w₂≈(0.022±0.001)λ_x。馈网为平衡缝隙提供等幅和近180°相位差的电压，在保证nl₃+nl₄≈(0.283±0.001)λ_x的条件下，调节得使馈网与缝隙耦合最小，一般取nl₃≈0.048λ_x，nl₄≈0.236λ_x，dx≈0.227λ_x。天线阵采用交织结构，每两个S波段单元之间放置3个X波段单元。不同波段单元置于不同层上，其中S波段振子的寄生单元位于天线最上层，泡沫层下为激励振子，S波段和X波段位于同一层，共用一个金属地板。取d_x≈0.73λ_x，d_s＝3d_x。

2.介质基板的选择(见图1、图2和图3)：天线采用6层介质层，其中4层为介质基板，另外2层为硬泡沫材料。介质层参数h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、ε_rs1、ε_rs2、ε_rs3、ε_rs4、ε_rs5、ε_rs6的变化对天线带宽影响较大。减小相对介电常数可以降低天线的Q值来增大天线的带宽，但是馈线与天线之间耦合却越来越小，因而介电常数不能太小，一般取ε_rs1＝3.38，ε_rs2＝2.94，ε_rs3＝1.07，ε_rs4＝2.94，，ε_rs5＝1.07，ε_rs6＝2.94。增大介质板的厚度也可增大天线的带宽，但馈线与振子之间耦合也变小，因而介质板厚度不能太厚。一般取h₁≈0.016λ_x，h₂≈0.005λ_s，h₃≈0.022λ_s，h₄≈0.005λ_s，h₅≈0.06λ_s，h₆≈0.005λ_s。介质板的损耗角正切应尽量小，一般取tgδ≤10^-3。

3.接头的选取

天线阵S波段端口的接头用SMA接头，其特性阻抗为50Ω。天线X波段采用口径耦合馈电，由于微带线置于介质板之下，普通SMA同轴内导体无法直接与微带线焊接，这时外导体的连接设计是这种连接匹配性能的关键。今将靠近微带线44一边的同轴线外导体42切去，使同轴线与微带线44之间的连接线仍具有半个外导体，如图10所示。此时在微带线44上再加一矩形金属贴片47就可以实现匹配，阻抗带宽很宽。该自制的专用同轴接头的同轴线特性阻抗为50Ω。

图4是本发明实施例所示天线S波段仿真方向图，左边为E平面，右边为H平面。天线的仿真增益为10.3dB，仿真交叉极化电平为-33dB。所用仿真软件是Ansoft HFSS10.0商用软件(下同)。

图5是本发明实施例天线X波段仿真方向图，左边为E平面，右边为H平面。天线的仿真的增益为18dB，仿真交叉极化电平为-48dB。

图6是本发明实施例天线S波段仿真回波损耗和端口隔离度图。天线的仿真阻抗带宽(RL≤-10dB)为2.92-3.12GHz，仿真端口隔离度为-29dB。

图7是本发明实施例天线X波段仿真回波损耗和端口隔离度图。天线的仿真阻抗带宽(RL≤-10dB)为8.27-10.22GHz，仿真端口隔离度为-27dB。

图8是本发明实施例天线X波段水平极化在扫描角为θ_m＝-24°时的仿真方向图，可见天线X波段水平极化沿x向具有±24°的相位扫描能力(旁瓣电平SLL≤-10dB)。

图9是本发明实施例天线的仿真增益图，天线两个波段上阻抗带宽内具有稳定的增益。

图10是自制专门设计的专用同轴连接器的垂直过渡结构图，其结构是：内导体43与外导体42之间有填充介质4，一边外导体42切去，使外导体42与内导体43构成的同轴线与微带线44之间的连接线仍具有半个外导体，同时在微带线44上加一个矩形金属贴片47实现匹配，内导体43上端有焊盘45，焊盘45外围空隙为地板缝隙。

Claims (1)

1.一种S/X双波段双极化共用口径微带振子与介质谐振器阵列天线，包括S波段单元和X波段单元，由6层介质层构成，采用交织结构。其特征在于：

a.所述S波段单元为位于所述6层介质层中第6介质层(6)和第4介质层(4)上的双层微带振子，每层都有两个正交放置的金属振子(11，12)以实现双极化工作；采用微带线(13)以邻近耦合方式对下层振子(12)馈电，下层振子(12)为馈电振子，上层振子(11)为寄生振子；

b.所述X波段单元为介质谐振器天线(21)，用位于6层介质层中第1介质层(1)下方的双端口(22，23)馈电方式来实现双极化功能，其中垂直极化用H形缝隙馈电，水平极化用二平衡缝隙馈电；

c.所述采用交织结构为：每两个所述S波段单元之间放置3个X波段单元，其中S波段单元的寄生振子位于天线最上层，所述6层介质层中第5介质层(5)为硬泡沫材料层，其下为馈电振子；S波段单元振子和X波段单元介质谐振器天线(21)共用一个金属地板(31)；

d.所述6层介质层中第1、2、4、6介质层为介质基板(1、2、4、6)，另外二层介质层(3、5)为硬泡沫材料层；

所述X波段单元每个端口的馈电采用一个专用同轴连接器，该同轴连接器一边的外导体(42)切去，使外导体(42)与内导体(43)构成的同轴线与微带线(44)之间的连接线仍具有半个外导体，同时在微带线(49)上加一矩形金属贴片(47)实现匹配。

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