低交叉极化高隔离度C 波段双极化微带天线设计.pdfVIP

低交叉极化高隔离度的C 波段双极化微带天线的设计1 孙竹，钟顺时，汤小蓉 上海大学通信与信息工程学院，上海(200072) E-mail: kiddodo@163.com 摘 要：本文介绍了一种混合激励的具有低交叉极化和高端口隔离特性的 C 波段双极化双 层微带贴片单元的设计。该天线单元的 10dB 反射损失带宽达 840MHz，约15.6%，覆盖了 整个 C 波段的雷达频段（5.1GHz-5.9GHz ），天线单元的两个极化的交叉极化电平值在整个 频段内均低于-37dB ，极化端口隔离度在整个频段内低于-43dB ，方向图前后比大于20dB ， 天线增益稳定在 9dB 以上。此外，该天线还具有结构紧凑的优点，易于拓展成大型天线阵 列，适合于作相控阵天线、合成口径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)天线的阵列单元。 关键词：微带贴片天线；双极化；高隔离度；SAR 天线 1. 引言 在合成口径雷达系统应用中，数据的后处理算法往往要求雷达天线具有高端口隔离度与 低交叉极化的特性，以避免可能产生的成像模糊问题。从天线技术的角度而言，天线阵的端 口隔离度取决于每个单元的端口隔离度，而天线阵的交叉极化特性尚可通过排阵中采用“成 对等幅反相馈电”技术[1-3]进行改善。因此，设计用于成像雷达的天线阵列单元，首要任务 是实现高端口隔离度指标，其次是实现低交叉极化电平。文献[4]中指出，目前的算法一般 要求天线的交叉极化电平应当抑制在-30dB 以下。 在提高双极化天线单元的端口隔离度及降低交叉极化电平方面，已有不少文章可供参 考，文献[5]通过调整口径耦合的两个耦合槽的位置，使之排布成“T”字型，在频带内实现端 口隔离度大于36dB 。文献[6]通过改变耦合槽形状，将H 形槽的“双臂”略微向内弯曲，在带 内实现隔离度34dB 以上。[7]中采用混合馈电的方法，对两个极化端口分别采用口径耦合和 电容性耦合方式馈电(capacitive coupled feed)在两个端口都采用平衡馈电，在频带内的隔离 度超过了40dB 。 本文首先通过对贴片天线单元形状和馈电技术的分析，提出一种混合馈电的设计，然后 由数值分析软件仿真和优化确定天线的参数和特性。 2 ．天线设计思路 由格林定理可知，天线的辐射可以看成是贴片上分布的电流元在远场的辐射的迭加。因 此，想得到好的交叉极化特性需要贴片上的电流分布更规则，也就是希望贴片下能产生规整 的场分布。 2.1 辐射单元形状分析 由于希望得到规整的场分布，因此双极化贴片单元常用二维对称的结构，诸如：方形贴 片、圆形贴片、方环形贴片、圆环形贴片等。以下以最常用的圆形贴片及方形贴片进行分析。 圆形贴片一般工作于TM11 模，方形贴片则工作于基模TM01 ，电流分布如图1 所示。 圆贴片中，偏离中轴的电流可分解为平行主极化分量与垂直主极化分量。垂直主极化分 量除了在辐射正方向上左右相消，在其余方向上均会抬高交叉极化电平。另外，在探针激励 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(20050280016)；国家高技术发展研究(863 计 划)(2007AA12Z125) 的资助。 - 1 - 的单层圆贴片中，为了阻抗匹配，一般会将馈点移向贴片中心。馈点越向内移，阻抗越小， 但是交叉极化电平越高，这是由于圆贴片的中心对称结构造成的，在加工不完善情况下更可 能造成极化旋转。而方贴片则无此之虞，因此大多数有低交叉极化电平要求的雷达天线都采 用方形贴片。图2 为匹配后的单层圆贴片与方贴片比较图，方形贴片交叉极化特性明显占优。 图1 贴片电流分布示意图 phi=0,gainPhi