CN101982899A

CN101982899A - S/x双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵

Info

Publication number: CN101982899A
Application number: CN2010102759348A
Authority: CN
Inventors: 钟顺时; 孙竹
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: CN101982899B

Abstract

本发明涉及一种S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，可用作星载合成口径雷达(SAR：Synthetic Aperture Radar)的天线，其技术也可应用于相控阵雷达及无线通信系统。它由4层介质板、3层硬泡沫构成叠层结构，在该叠层结构中有叠层贴片和叠层微带振子。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双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵

技术领域

本发明涉及一种S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，在两个波段上均具有宽带、高隔离度和低交叉极化的特点。它可用作星载合成口径雷达(SAR：Synthetic Aperture Radar)的天线，其技术可应用于相控阵雷达及无线通信系统。

背景技术

微波合成孔径雷达不但能用来获取大地域的地面图像，而且具有对植被和地面的穿透能力，现已广泛应用于资源勘探、重大灾情估计、大地测绘等领域，在军事上更具有独到的优势。而SAR天线是决定合成口径雷达性能的关键子系统之一，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。

目前SAR天线的一个重要趋势是共口径、多波段、多极化、宽频带。多极化可以提高信息量，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，利用两个或多个波段共用一个天线阵面，可以充分发挥在各个不同波段同时进行雷达测量所具有的特点；共用口径的实现不但减小了重量和体积，还可以共享天线阵后面的许多雷达分系统，提高星载系统的有效载荷、能源的效率。

国际上已开展了对其实现技术的广泛研究，如：加拿大Manitoba大学与MTC公司及CSA公司合作开展L/C双波段双极化共口径微带天线阵的研究，美国马萨诸塞州大学在JPL资助下开展的L/C和L/X两种双波段双极化共口径微带天线阵的研究等，对不同的双波段融合方式进行了探讨，如：开孔贴片、十字形贴片、交织排列等(R.Pokuls，J.Uher and D.M.Pozer，Dual-frequency and dual-polarization microstrip antennas for SAR applications.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，vo1.46，Sep.1998，pp.1289-1296)。我课题组亦在该方向做了许多工作，已制成了实用的多层结构单波段双极化SAR微带天线阵样机(Xian-Ling Liang，Shun-Shi Zhong and Wei Wang，Dual-Polarized corner-fed patch antenna array with high isolation，Microwave and Optical Technology Letters，2005，47(6)：520-522)。2006年我们又制成了一种共口径S/X双波段双极化SAR微带天线阵实验天线(贴片/振子交织排列)(X.Qu，S.-S.Zhong and Y.-M.Zhang，Dual-band Dual-Polarised microstrip antenna array for SAR application，Electronic Letters，2006，42(24)：1376-1377)，为国内首副同类型天线阵。并于2008年对双波段双极化天线阵的设计技术进行了综述(钟顺时，合成孔径雷达的双波段双极化共孔径天线阵技术，现代雷达，2009，31(11)：1-5)。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，着重展宽了其低频单元(S波段)的带宽，改善了极化隔离度和交叉极化性能。

为达到上述目的，本发明的构思是：在本课题组已有的S/X双波段双极化天线子阵基础上进行了再设计，从以下2方面入手：

1)展宽低频单元带宽。在已发表的共用口径双波段天线阵中，低频单元由于尺寸受到高频单元晶格的限制，其相对带宽往往远小于高频波段。本设计中通过在低频波段(S波段)的中引入第三个谐振点，在不改变单元尺寸的前提下展宽了低频带宽；

2)改善隔离度性能。由于两个波段的天线单元挤在一个有限的口径面内，导致干扰严重，其中低频波段单元对高频波段的极化隔离度影响尤为严重。设计中重新布置了阵面布局，调整了两个波段的频率比以达到良好的隔离性能。

按照上述发明思路，本发明采用的技术方案如下：

一种S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，包括从下至上依次有金属反射层、第三泡沫层)、第四介质基板、第三介质基板、第二泡沫层、第二介质基板、第一泡沫层和第一介质基板构成的叠层结构，在该叠层结构中有叠层贴片和叠层微带振子，具体特征在于：

1.仍然采用近耦合的叠层微带振子作为低频波段辐射单元；调整了两层泡沫支撑材料的厚度，并合理调节匹配网络，产生第三个谐振频率，进而展宽低频波段振子的带宽；

2.X波段采用叠层贴片设计，出于改善高频单元隔离度的考虑，采用了口径耦合与探针馈电的混合激励方式，通过地板将两个极化的馈电结构分开，从而达到改善隔离度的目的；

3.S波段的振子排布方式，由原来的“十”字型交叉排布改为“工”字型分布，改善了S波段单元间的隔离度性能；

4.由于采用了口径耦合的馈电方式，为了达到天线阵的前后比指标，在地板后设置了金属反射板。在实际工程中，该金属铝板还兼有增加天线机械强度的作用；

5.天线馈电结构与射频SMA接头之间采用垂直过渡的方式；接头内导体(探针)穿过金属铝板(反射板)和其支撑泡沫，与馈电结构相接。这些接头的外导体也贯穿金属铝板(反射板)和泡沫，直接与地板相接，同时它们还兼有抑制地板和反射板之间表面波的作用；

6.两个波段的中心频率分别为：S：2.85GHz、X：10GHz，频率比为3.5∶1。设计中有意引入了非整数频率比，这有利于波段间的去耦合(当采用整数频率比，如3∶1，则工作于高频波段时，低频振子容易激励起TM₀₃模。这对于高频单元的极化隔离度有所影响)。这种非整数频率比的设计就目前发表文献中尚属首例；

7.设计中沿用了“成对反相馈电技术”以提高全阵的主波瓣内交叉极化性能。

本发明与现有的同类天线阵比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：实施例中的天线样阵与我课题组已有的S/X双波段双极化天线子阵相比，S波段阻抗带宽由8％扩展至10％以上，带内隔离度指标也分别由S波段的-25dB和X波段的-20dB均改善到-30dB以下；与目前已发表的文献相比较，具有隔离度好，低频部分带宽宽的优点。与国内外同类产品比较如下表所示：

表1

附图说明：

图1是本发明天线阵阵面的结构俯视图与剖面图。

图2是X波段贴片结构俯视图与剖面图。

图3是S波段垂直极化振子结构俯视图与剖面图。

图4是S波段水平极化振子结构俯视图与剖面图。

图5是仿真的X波段单元回波损耗和极化隔离度参数曲线图。

图6、图7是仿真的X波段单元二主面方向图及其交叉极化电平曲线图。

图8是仿真的S波段单元回波损耗和极化隔离度参数曲线图。

图9、图10是仿真的S波段单元二主面方向图及其交叉极化电平曲线图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：本实施例参看图1。本S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵的X波段单元(1)采用“成对反相馈电”的方式进行排布，并在整个阵面上按水平和垂直的两条中轴完全对称，实现了辐射方向上的低交叉极化性能；S波段振子2采用交织的方式嵌入在X波段单元的间距空隙中，水平与垂直极化的振子采用“T”字型排列的方式，来实现极化间的良好隔离度性能；子阵中S波段单元数量较少，但是排布中也采用了“成对反相馈电”的方式。由于S波段两个极化的微带振子成“T”字排布，这导致了其几何中心不重合，本例的子阵采用了3根垂直极化振子同两根水平极化振子，在子阵层面上实现了S波段水平极化与垂直极化相位中心的重合，这对于极化雷达由重要意义。具体结构如下：

a)低频波段辐射单元为所述叠层微带振子2：其驱动振子9和寄生振子10由微带枝节线的馈网5近耦合激励；馈网5、驱动振子9和寄生振子10分别位于第三介质基板15上侧和第二、第一介质基板13、11下侧，并由第二、第一泡沫层14、12隔开。调整两层泡沫支撑材料14、12的厚度，并合理调节匹配网络5，产生第三个谐振频率，进而展宽低频波段振子的带宽；

b)X波段为所述叠层贴片1：出于改善高频单元隔离度的考虑，采用口径耦合6、7与探针馈电8的混合激励方式；其驱动贴片3和寄生贴片4分别位于第三介质基板15的上侧与第二介质基板13的下侧，由第二泡沫层14隔开；地板包括口径耦合的槽7在第四介质基板16的上侧，口径耦合的馈电网络在第四介质基板16的下侧，通过地板将两个极化的馈电结构分开，从而达到改善隔离度的目的；

c)S波段的振子排布方式为“工”字型分布，改善了S波段单元间的隔离度性能；

d)由于采用了口径耦合的馈电方式，为了达到天线阵的前后比指标，在地板后设置了金属反射板18，该金属铝板还兼有增加天线机械强度的作用；

e)天线馈电结构与射频SMA接头之间采用垂直过渡的方式：S波段、X波段的探针激励采用相同的接头打穿反射板18、第三泡沫层17和第四介质基板16，其外导体与内心分别于地板和S或X波段相连；X波段的口径耦合采用了专门设计定做的接头，同样打穿反射板18和第三泡沫层17，外导体同地板相连，内导体与口径耦合的馈网6相接；

f)两个波段的中心频率分别为：S：2.85GHz、X：10GHz，频率比为3.5∶1。引入了非整数频率比，这有利于波段间的去耦合；当采用整数频率比，如3∶1，则工作于高频波段时，低频振子容易激励起TM₀₃模。这对于高频单元的极化隔离度有所影响；这种非整数频率比的设计就目前发表文献中尚属首例；

g)采用了“成对反相馈电技术”以提高全阵的主波瓣内交叉极化性能。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：图2所示为X波段叠层微带贴片单元1。寄生贴片的叠层放置3，4，不仅极大增加了单元阻抗带宽(图5，9.24-10.76GHz，15％)，同时也起到了引向器的作用，显著地改善了单元增益(图6，约9dB)；馈电采用口径耦合与探针馈电的混合激励方式(6-8)，由于接地板将两个极化的馈电结构隔开，以及口径耦合馈电方式本身高隔离度特性，这种设计获得了良好的极化隔离度性能(图5，频带内低于-40dB)；探针馈电端口采用了额外的耳片8，兼有匹配阻抗及合理错开接头位置的作用。

图3、4所示分别为S波段垂直和水平极化的叠层微带振子2。由于微带振子的辐射边较叠层贴片为短(2所指的边)，其阻抗带宽也因此较窄。设计中同样采用了叠层布置9，10来提高带宽及增益，这与贴片的叠层设计思路相同；但是仅如此其带宽依然差强人意，本例中重新优化了两层泡沫高度，并精心设计馈电网络，在馈网中产生了第三个谐振频点，从而弥补了低频单元带宽较窄的劣势(图7，2.8-3.1GHz，＞10％)。

该共用口径S/X双波段双极化平面天线阵的参数如下：

1.两个波段间的非整数频率比：3.2∶1-3.8∶1；

2.泡沫厚度范围(14，hf1)为所在频段的中心频率波长的5％-16.7％(即1.5mm-5mm)；

3.下贴片(3)边长6mm-10mm，上下贴片(3，4)边长比约1.05-1.25；

4.上层泡沫厚度(12，hf2)为所在频段的中心频率波长的4％-12％，(即4-12mm)；

5.垂直极化振子近耦合线至振子辐射边(5，即图3中t1)长度为12-24mm，水平极化振子该长度(图4中t1)为6-15mm；两条振子的近耦合线伸出枝节线的长度(图3图4中t2)约为13-24mm；匹配枝节线长度(图3图4中s1)约为15-25mm；

6.介质基板(11，13，15，16)的相对介电常数(ε_r)为2～5，其介质损耗角正切(tgδ)小于或等于0.002；泡沫相对介电常数(ε_r)为1～1.2。

图5、图6给出了X波段单元的仿真性能，图7图8所示为S波段微带振子的仿真结果。分别实现了1.5GHz(9.24-10.76GHz，15％)的带宽与300MHz(2.8-3.1GHz，10％)的阻抗带宽；由于叠层技术的运用，两个波段增益均较高，且较接近，约为8-9dB，且在整个频段内增益稳定；两个波段的隔离度均＜-30dB。该天线较好的实现了公用口径双波段双极化二主面扫描工作的能力，图9、图10是仿真的S波段单元二主面方向图及其交叉极化电平曲线图。

Claims

1.一种S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，包括从下至上依次有金属反射层(18)、第三泡沫层(17)、第四介质基板(16)、第三介质基板(15)、第二泡沫层(14)、第二介质基板(13)、第一泡沫层(12)和第一介质基板(11)构成的叠层结构，在该叠层结构中有叠层贴片(1)和叠层微带振子(2)，其特征在于：

a.低频波段辐射单元为所述叠层微带振子(2)：其驱动振子(9)和寄生振子(10)由微带枝节线的馈网(5)近耦合激励；馈网(5)、驱动振子(9)和寄生振子(10)分别位于第三介质基板(15)上侧和第二、第一介质基板(13、11)下侧，并由第二、第一泡沫层(14、12)隔开。调整两层泡沫支撑材料(14、12)的厚度，并合理调节匹配网络(5)，产生第三个谐振频率，进而展宽低频波段振子的带宽；

b.X波段为所述叠层贴片(1)：出于改善高频单元隔离度的考虑，采用口径耦合(6、7)与探针馈电(8)的混合激励方式；其驱动贴片(3)和寄生贴片(4)分别位于第三介质基板(15)的上侧与第二介质基板(13)的下侧，由第二泡沫层(14)隔开；地板包括口径耦合的槽(7)在第四介质基板(16)的上侧，口径耦合的馈电网络在第四介质基板(16)的下侧，通过地板将两个极化的馈电结构分开，从而达到改善隔离度的目的；

c.S波段的振子排布方式为“工”字型分布，改善了S波段单元间的隔离度性能；

d.由于采用了口径耦合的馈电方式，为了达到天线阵的前后比指标，在地板后设置了金属反射板(18)，该金属铝板还兼有增加天线机械强度的作用；

e.天线馈电结构与射频SMA接头之间采用垂直过渡的方式：S波段、X波段的探针激励采用相同的接头打穿反射板(18)、第三泡沫层(17)和第四介质基板(16)，其外导体与内心分别于地板和S或X波段相连；X波段的口径耦合采用了专门设计定做的接头，同样打穿反射板(18)和第三泡沫层(17)，外导体同地板相连，内导体与口径耦合的馈网(6)相接；

f.两个波段的中心频率分别为：S：2.85GHz、X：10GHz，频率比为3.5∶1。引入了非整数频率比，这有利于波段间的去耦合；当采用整数频率比，如3∶1，则工作于高频波段时，低频振子容易激励起TM₀₃模。这对于高频单元的极化隔离度有所影响；这种非整数频率比的设计就目前发表文献中尚属首例；

g.采用了“成对反相馈电技术”以提高全阵的主波瓣内交叉极化性能。

2.根据权利要求1所述的S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，其特征在于两个波段间的非整数频率比：3.2∶1-3.8∶1；

3.根据权利要求1所述的S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，其特征在于所述X波段叠层贴片(1)单元的口径耦合(6，7)/探针馈电(8)混合激励技术以及探针馈电端口耳片(8)：其中第二泡沫层(14)厚度(hf1)范围为所在频段的中心频率波长的5％-16.7％，即1.5mm-5mm，下贴片(3)边长6mm-10mm，上下贴片(3，4)边长比约1.05-1.25。

4.根据权利要求1所述的S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，其特征在于S波段微带振子(2)的三频谐振展宽带宽：其中第一泡沫层(12)厚度(hf2)为所在频段的中心频率波长的4％-12％，即4-12mm；垂直极化振子近耦合线至振子辐射边(5)长度为12-24mm，水平极化振子该长度(t1)为6-15mm；两条振子的近耦合线伸出枝节线的长度(t2)约为13-24mm；匹配枝节线长度(s1)为15-25mm。

5.根据权利要求1所述的S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，其特征在于阵面布置中S波段微带振子采用了T字型分布来改善隔离度，并采用不同数量的水平与垂直极化振子，以使其相位中心重合。

6.根据权利要求1所述的S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵，其特征在于所述第一、第二、第三和第四介质基板(11，13，15，16)的相对介电常数(ε_r)为2～5，其介质损耗角正切(tgδ)小于或等于0.002；泡沫相对介电常数(ε_r)为1～1.2。