用于机载SAR的UHF波段宽带双极化微带天线

用于机载SAR的UHF波段宽带双极化微带天线

卢晓鹏 高 初 李 雁

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230031）

摘 要：本文提出了一种结构简单可用于机载SAR的UHF波段宽带双极化天线。通过将背腔技术、近耦合馈电技术、双层微带贴片技术以及四点馈电技术的有效结合，实现了低剖面、宽带、高隔离和低交叉极化的性能。对孤立单元及1×4小阵的仿真及测试结果表明，该天线在36.7%带宽内驻波比优于1.5、极化隔离优于55dB、交叉极化低于-25dB。

关键词：宽带；双极化；微带贴片天线；SAR

A UHF Microstrip Antenna with Wide-Bandwidth and Dual-Polarization for

Airborne SAR Application

Lu Xiaopeng Gao Chu Li Yan

( No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230031)

Abstract: A simple UHF Microstrip Antenna with Wide-Bandwidth and Dual-Polarization for airborne SAR application is proposed. By a combination of back-cavity, proximity coupling feeding, dual layer microstrip patch, and four-point feeding techniques, characteristics of low profile, broad bandwidth, high isolation and low cross-polarization is realized. From the simulation and experiment results of a single element and a 1 by 4 array, a VSWR lower than 1.5, a polarization isolation greater than 55dB, a cross polarization lower than -25dB are obtained. Key words: Wideband , Dual-Polarization, Microstirp Patch antenna , SAR

对于双极化对称振子类天线，其优点是带宽宽，缺

1 引言

点是天线剖面尺寸大，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，

机载合成孔径雷达(SAR) 有全天候、全天时的

由于载机平台限制，天线单元数较少，造成了两种

工作能力。随着SAR技术的成熟及应用推广，近年

极化状态下天线的波瓣宽度、背瓣及增益差异很大，

来该技术在地形测绘领域成为一大研究热点。对植

不利于SAR的成像处理。而双极化微带贴片天线除

被覆盖茂密的地区进行测绘，为获取准确的地表信

了具有重量轻、加工简单等优点，还具有两极化面

息，应选用具有良好植被穿透能力的UHF波段SAR。

波瓣一致性好的特点，适合于双极化机载SAR天线

而宽带、双极化的天线可提高SAR图像的分辨率及

的设计。但对于较低工作波段，由于微带板厚度的

清晰度。因此，开发适用于机载工作平台的UHF波

限制，使得常规微带贴片天线的工作带宽较窄。为

段宽带、双极化天线十分必要。

解决该问题，文献[5]采用了背腔结构与锥形耦合探

已见报道的宽带双极化天线形式主要有三大

针馈电相结合的技术，在单层微带结构上实现了

类，第一类是双极化裂缝波导天线[1]，第二类是双

46%的工作带宽；文献[6]采用厚泡沫介质、与电容

极化对称振子类天线[2-4]，第三类是双极化微带贴

补偿探针馈电相结合的技术，实现了30%的工作带

片天线[5-6]。裂缝波导天线的优点是效率高，缺点

宽。为实现高隔离、低交叉极化的双线极化工作，

是带宽窄，最大带宽不会超过15%。同时由于波导

两者皆采用两两反相的四点馈电技术；但它们的缺

尺寸限制，它不适用于UHF以下的低频天线设计。

点是天线结构复杂，其中前者锥形馈电探针的加工

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及设计难度皆较大，而后者采用多层泡沫微带结构，加工精度差，使得天线的实测交叉极化性能较差。

本文提出了一种用于机载SAR的UHF波段双极化微带天线，通过有效结合背腔技术、近耦合馈电技术、双层微带贴片技术和四点馈电技术，充分利用微带贴片加工精度高的特点，实现了高隔离、低交叉极化的双极化天线，同时两极化天线的波瓣一致性较好。

2 单元结构及仿真设计

天线单元的结构组成如图1，整个天线由背腔式接地结构板、激励单元微带板、寄生单元微带板及四个激励探针组成。其中背腔接地结构板的作用是增加激励单元微带板的等效厚度，以提高天线工作带宽。而激励单元微带板采用文献[7]的近耦合馈电结构，以补偿激励探针所引入的寄生电感，实现宽带阻抗匹配。为进一步增加带宽天线采用双层辐射贴片结构，即在激励单元上方放置一寄生单元，实现多模谐振。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，天线单元采用与文献[5,6]相同的四探针馈电方式，每种极化由相对探针反相激励。

图1 天线单元结构组成

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38.6%的频带内驻波比优于1.5。

3 天线阵设计及测试结果

利用此单元形式设计加工了一个用于机载SAR·2·

的UHF波段双极化天线阵，该天线由方位向4个单元和距离向1个单元组成。天线由两个1：8微带功分网络通过同轴电缆进行馈电，每个功分网络四个输出口等幅同相，另四个输出口等幅反相。为简化天线结构将寄生单元与天线罩一体化设计，天线的实物照片如图3。

图2 天线单元端口有源驻波仿真结果

图3 1×4天线阵实物照片

在微波暗室内对该天线阵的各项技术指标进行测试，结果表明，该天线阵在36.7%的频带内，双端口驻波比优于1.5，双端口极化隔离优于55dB，两极化状态下两主面的交叉极化优于-25dB，副瓣电平优于-11.5dB，双极化天线增益在整个带内优于10.8dB。图4-7给出了天线主要技术指标的实测结果。

图4 1×4天线阵双极化端口驻波测试结果

图5 1×4天线阵端口隔离度测试结果

图6 1×4天线阵双极化状态增益

水平极化

垂直极化

图7 1×4天线阵中频远场波瓣

4 结论

本文提出了一种UHF波段的宽带双极化微带天线，通过将背腔技术、近耦合馈电技术、双层微带

贴片技术以及四点馈电技术有效结合，在36.7%的带宽内成功实现了55dB以上的端口隔离，-25dB以下的交叉极化。

参 考 文 献

[1] W. Wang, J. Jin, X. L. Liang and Z.H. Zhang, Broadband Dual polarized Waveguide Slotted Antenna Array, IEEE APS.,

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[2] J. J. Lee, S. Livingston, and R. Koenig, A Low-Profile Wide-Band (5:1) Dual-Pol Array, IEEE AWPL., pp. 46-49, Feb. 2003.

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[3] 卢晓鹏，张玉梅. 用于机载SAR的L波段双极化天线. 第九届全国雷达学术年会论文集，2004，pp:1008-1011.

[4] L. Siu, H. Wong, and K. M. Luk, A Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading, Vol.57, March 2009,

pp:616-619.

[5] R. F. Thomas and J. Huang, Ultra-Wideband UHF Microstrip Array for Geo-SAR Application, IEEE APS. , 1998, pp. 2096-2099. [6] J. Huang, Z. A. Hussein, and A. Petros, A VHF Microstrip Antenna With Wide-Bandwidth and Dual-Polarization for Sea Ice

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[7] P. S. Hall，Probe Compensation in Thick Microstrip Patches, Electron Lett. , Vol. 23, pp. 606-607, 1987.

作者简介：

卢晓鹏，男，高级工程师，主要从事微波天线技术的研究工作。 高 初，男，博士，主要从事稀布阵及反射面天线的设计。 李雁，女，高级工程师，主要从事微波馈线系统的研究工作。

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一种微带栅格天线的优化设计

陈 锴1 陈 星2

（1.中国电子科技集团第十研究所，四川 成都610036；2.四川大学电子信息学院，四川 成都610064） 摘 要：设计了一种微带栅格天线,该天线是由若干微带辐射单元和传输线单元组成的微带阵列天线，可以直接50Ω同轴线馈电。天线工作中心频率2.45GHZ,为实现阻抗匹配以及高增益特性，采用并行遗传算法和数值算法对微带栅格天线结构进行了优化设计。根据设计结果加工制作了原型天线并进行了测试，测试结果表明该微带栅格天线的增益达到了18.3dBi。

关键词：微带栅格天线；优化设计；并行遗传算法

A Microstrip Grid Array Antenna Optimized by a Parallel Genetic Algorithm

Chen Kai1 Chen Xing2

（1．Southwest China Institute of Electronic Technology,，Sichuan，Chengdu 610036；

2．College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Sichuan，Chengdu 610036） Abstract: A microstrip grid array antenna is presented. This antenna is a microstrip array composed of a number of microstrip radiators and microstrip transmission lines, and that it can be directly fed from a 50Ω coaxial line without an impedance transformer. For achieving a high gain and impedance match at its working frequency of 2.45GHz, its structural parameters were optimized making use of a parallel Genetic Algorithm (PGA) in conjunction with computational method on a cluster system. A prototype antenna was fabricated and test. Results of the measurement show the designed microstrip grid array antenna measures a gain of 18.3dBi with good impedance match..

Key words: Microstrip grid array antenna; Optimized design; parallel genetic algorithm

1 引言

栅格天线是一种由栅格单元组阵形成的天线，John.Kraus于二十世纪六十年代首次提出这类新结构天线。栅格天线具有结构简单，低剖面，馈电方便等特点，同时具有高增益﹑波束集中﹑低副瓣﹑线极化等辐射特性[1]。传统栅格天线的基本形式如图1所示，采用金属杆制作矩形栅格单元，每个矩形单元的尺寸取值为长一个波长，宽二分之一波长（???2）。金属接地面与栅格单元阵列平行，接地面与栅格单元之间距离大约是四分之一波长，同轴馈线穿过接地面对栅格单元网络中心馈电。图中栅格阵列上的箭头方向代表电流流向，栅格单元阵列所有短边上电流相位都保持一致，为主要辐射单元。

图1 栅格天线基本结构

随着天线技术的发展，栅格天线的研究不断展

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开。微带线的出现，替代了传统金属杆栅格，微带栅格结构随即出现，同时研究者针对栅格天线的辐射特性、网格形式、馈电方式以及天线数值计算等方面进行了相关分析研究[2-4]。

本文中将对一种微带结构的栅格天线进行优化设计，天线工作中心频率2.45GHz，实现天线的高增益辐射特性。

2 微带栅格天线结构

微带栅格天线示意图如图2所示，图中深色区域是金属层，浅色区域为介质基板，介质基板采用介电常数?r?2.65，厚度h1?1mm的聚四氟乙烯材料。

栅格阵列由矩形微带单元组阵构成，微带单元分别有X方面和Y方面两种微带线，X方面微带线尺寸为Wx~Lx，Y方面微带线尺寸为Wy~Ly，根据栅格天线的辐射原理，电流在栅格的X方面的单元上电流相位一致，因此微带栅格天线的主要辐射单元沿X轴方向放置的微带线单元，共有13个单元，每个其余沿Y轴方向微带线单元可看作传输线，同时起到传输能量和阻抗匹配的作用。因此X方面的微带线相对Y方面的微带线较宽，可以看作是单元的微带贴片天线，而Y方面的微带线是微带传输线和馈电网络的作用，保证了每个微带贴片单元正常工作。

图2 微带栅格天线结构参数

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微带栅格阵列与反射面之间的空气层厚度为h2，通过调节空气层的厚度，可以改变天线的远场辐射特性。h2在初始设置中，一般设为四分之一波长。天线采用特征阻抗50欧姆的同轴线直接对天线馈电，同轴线内导体穿过金属接地面﹑空气层及介质层，直接与基板上的金属层接触，外导体和金属接地面连接。天线的馈电点选在微带栅格单元的中心A点。

3 微带栅格天线优化设计

微带栅格天线中，X方面微带辐射单元的参数Wx、Lx决定了天线的工作频段；Y方面微带线的宽度Wy代表了微带传输线的特征阻抗，而同轴线特征阻抗为50欧姆，他们之间的阻抗是否匹配决定了天线的带宽特性；同时空气层的厚度h2影响天线的辐射特性。因此为了得到良好的带宽特性以及高增益，需要对上述微带栅格天线的参数进行优化设置。

遗传算法作为一种随机的、非线性的优化算法，已经广泛应用到各类天线设计中[6]。采用遗传算法结合数值算法对13个栅格单元的微带栅格天线结构实施了优化设计，同时为节约设计时间，利用并行计算机系统进行操作。天线的工作中心频率根据需要选取在2.45GHz，分别对Wx，Lx，Wy，Ly，h2等参数进行优化。

优化设计中，适应度函数的定义如下：

Fitness?C1?Gain?C2?S11 （1）

其中，Fitness是适应度函数值， Gain和S11分别代表天线在谐振频率下的辐射增益以及端口处的反射系数。C1，C2 两个加权因子的取值分别为0.03和0.02，代表优化同时兼顾了增益和匹配特性。

通过自动优化，最后得到性能优良的天线参数，根据优化结果，我们制作了实际的微带栅格天线，如图3所示：

如图所示，采用四个优化设计得到的微带栅格天线单元组成平面阵列，天线底部采用一整块的金属接地面，接地面与微带栅格单元之间用聚四氟乙烯圆柱固定，保证两者间距一致。接地面开有四个通孔，四根50欧姆同轴线内导体穿过接地面的通孔，分别对四个栅格天线单元进行馈电。

图3 四个栅格天线阵列照片

4 天线仿真和测试结果分析

天线加工完成后,对其主要电性能进行了测试。输入端的反射系数由矢量网络分析仪测得，而辐射方向图和增益在微波暗室通过天线测试系统测得。下面对仿真结果和实际测量的数据进行对比分析。

图4是单个微带栅格天线输入端仿真和测量反射系数曲线，其中虚线是仿真得到的天线反射系数曲线，实线是测量得到的反射系数曲线，两条曲线基本相近，S11<10dBi的带宽为4.5%(2390MHz~2500MHz)。天线体现了良好的匹配特性，带内最大S11达到-15dBi，同时也满足天线中心频率工作在2.45GHz的设计目标。

图4 天线仿真和测试S11曲线

图5是单个栅格天线在频率为2.45GHz时仿真辐射方向图和测试辐射方向图的对比，其中图1-5(a)是XZ平面，图5(b)是YZ平面。图中虚线代表辐射方向仿真值，实线代表测试值。可以清楚地看到，实测方向图和仿真方向图主瓣吻合良好，且方向图对称性较好。天线3dB波束宽度为25o，前后

比达到了40dB。采用标准天线测试计算得到天线的增益为18.3dBi，体现了天线高增益性能。本文采用13个辐射单元所获增益高于文献[5]中25个辐射单元金属杆状栅格天线的增益18.1dBi，无疑具有更高的辐射效率。

图5 天线辐射方向图

5 小结

本章节主要针对一种微带栅格天线进行了优化设计。根据优化设计得到的结果加工制作了实际的微带栅格天线，并对天线的带宽和增益进行了测量。测量结果表明，天线工作中心频率2.45GHz，匹配良好，带宽达到4.5%，同时天线2.45GHz频点处3dB主瓣宽度为25o，增益达到了18.3dBi，高于传统栅格天线25个单元的增益，实现了高增益特性。

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参 考 文 献

[1] J. D. Kraus, A backward angle-fire array antenna [J], IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-12, 48-50,

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[2] R. Conti, J. Toth, T. Dowling, and J. Weiss, The wire grid microstrip antenna [J], IEEE Trans. Antennas

Propagat., vol. AP-29, 157-166, 1981

[3] H. Nakano, I. Oshima , H. Mimaki, K. Hirose, and J. Yamauchi, Center fed grid array antennas [J], IEEE

AP-S Int. Symp., 2010-2013, 1995

[4] H. Nakano, I. Oshima, H. Mimaki, K. Hirose, and J. Yamauchi, Numerical analysis of a grid array antenna

[C], Proc. of ICCS'94, Singapore, 700-704, 1994

[5] Hisamatsu Nakano, Toru Kawano, Yousuke Kozono, and Junji Yamauchi. A Fast MoM Calculation

Technique Using Sinusoidal Basis and Testing Functions for a Wire on a Dielectric Substrate and Its Application to Meander Loop and Grid Array Antennas [J], IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 53, No. 10, Oct. 2005

[6] D.S. Linden, Automated design and optimization of wire antennas using genetic algorithms [D], PhD Thesis,

MIT, 1997.

作者简介：

陈锴，男，重庆人，中国电子科技集团第十研究所，助理工程师。研究方向：电磁场数值计算，天线设计。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kovo.html