孫 竹 鐘順時(shí) 孔令兵 高 初 汪 偉 金謀平

（1.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海200072；

2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230031）

引 言

現(xiàn)代合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)往往要求多波段多極化工作模式，例如2002年實(shí)現(xiàn)全球3D成像的SIR－C／X－SAR三波段雷達(dá)［1］。多波段雙極化共用口徑天線技術(shù)，可以在保證各波段增益的前提下，實(shí)現(xiàn)天線體積和載荷的最小化［2－3］，因此成為該領(lǐng)域的前沿之一。目前已報(bào)道了雙波段雙極化（DBDP）共用口徑微帶天線陣的許多設(shè)計(jì)方案，按陣面結(jié)構(gòu)可大致分為以下兩類［4］：打孔貼片／貼片［2－10］和交織陣面結(jié)構(gòu)［11－17］。就作者所知，按已公開發(fā)表的文獻(xiàn)，迄今仍未見報(bào)道三波段雙極化（TBDP）共用口徑SAR平面天線陣。

提出一種新的通用的設(shè)計(jì)方法，將DBDP天線陣擴(kuò)展成三波段雙極化共用口徑天線陣。著眼于未來SAR系統(tǒng)的要求，該天線陣同時(shí)工作于L（1.25 GHz）、S（3.5GHz）和 X（10GHz）波段，每個波段均為雙極化，且具有二維掃描能力。天線陣的設(shè)計(jì)及測試結(jié)果介紹如下。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 總體陣面設(shè)計(jì)

從SAR系統(tǒng)的角度來看，一般要求各波段在橫向（與方位向正交）的波束寬度大致相當(dāng)［6］，以產(chǎn)生相同寬度的掃描帶，即各波段在口徑橫向的寬度應(yīng)與其波長成正比。如引言中提及的SIR－C／X－SAR雷達(dá)三波段天線，它由三副L、C和X單波段天線組成，各波段都有獨(dú)立口徑，其橫向尺寸分別為2.95 m、0.75m、0.4m［1］，口徑寬度比為7.375∶1.875∶1，與波長比8∶2∶1大致相同。因此，對于本天線，按相應(yīng)波長比例設(shè)計(jì)的獨(dú)立口徑TBDP天線陣面如圖1（a）所示，自上至下依次為S、L和X三個波段子陣。L波段口徑寬度2.88m，S波段1.08m，X波段0.36m，口徑比為8∶3∶1.

本文提出的新方案如圖1（b）所示，上下兩側(cè)分別為L／S和L／X DBDP子陣，中間用L波段雙極化（DP）子陣補(bǔ)足所需增益的口徑寬度。L波段寬度0.72×2＋1.08＋0.36＝2.88m，S波段1.08m，X波段0.36m，口徑比為8∶3∶1，與波長比相似。與獨(dú)立口徑方案相比，口徑橫向尺寸由1.08＋2.88＋0.36＝4.32m 減至2.88m，口徑寬度縮短了三分之一。這一方案相當(dāng)于將圖1（a）方案中上下兩側(cè)的S與X單波段子陣，分別疊加到L單波段子陣上。這樣就使共口徑TBDP天線陣的設(shè)計(jì)分解成為兩個共口徑DBDP天線陣和一個單波段DP天線陣的設(shè)計(jì)。從而可大量借鑒已有的共口徑DBDP天線陣的設(shè)計(jì)和加工經(jīng)驗(yàn)，大大地簡化了TBDP陣的設(shè)計(jì)并降低了研制風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 TBDP天線陣方案示意圖

1.2 L、L／S和L／X子陣設(shè)計(jì)

L／S和L／X兩個DBDP共口徑子陣采用了圖2所示的交織陣面結(jié)構(gòu)，因其具有設(shè)計(jì)靈活、適用于奇數(shù)頻率比等優(yōu)點(diǎn)［13－14］。其中S和X波段單元采用方形晶格狀排列，并運(yùn)用相鄰單元成對倒相饋電的技術(shù)，以抑制主瓣內(nèi)交叉極化電平和改善陣列極化隔離度［18］。掃描能力定為±25°，并且為了便于與L波段單元交織等考慮，S和X波段單元間距分別取0.65λS和0.62λX.

L／S和L／X子陣的L波段單元結(jié)構(gòu)都相同，采用“T”字形排布的印刷振子，交織于S或X波段子陣空隙中。由于這種“T”型排布會使L波段水平和垂直極化陣列的單元數(shù)不一致，為此增加一根額外的垂直振子，以保證水平／垂直極化陣列的幾何中心（相位中心）相重合［2］，見圖2.水平和垂直極化單元數(shù)不同會導(dǎo)致方向圖波束寬度有差異，但當(dāng)口徑很長時(shí)，這一差異可以忽略。而實(shí)際的SAR天線正是如此，例如SIR－C／X－SAR天線的方位向口徑長度達(dá)12m［1］.

圖2 TBDP陣面結(jié)構(gòu)圖

1.3 S及X波段單元設(shè)計(jì)

考慮到交叉極化、帶寬和加工容差等要求，S波段單元（L／S子陣）和X波段單元（L／X子陣）都采用雙層方形貼片結(jié)構(gòu)。二者結(jié)構(gòu)相似，圖2的插圖中給出了S波段單元的透視圖和X波段單元的頂視圖。饋電方式選擇上，盡管口徑耦合、混合激勵和平衡饋電等方案能提供更良好的隔離度［19－23］，但因它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陣列中加工可靠性、一致性較低。因此，本設(shè)計(jì)中仍采用雙探針饋電［24］。

為改善雙探針饋電的極化隔離度，在有源貼片上蝕刻了非對稱隔離槽（S、X波段采用了不同形狀的隔離槽）。結(jié)果表明，隔離槽能明顯地改善帶內(nèi)隔離度。作為一種“微擾”，隔離槽對主極化影響很小，但是它的引入擾亂了貼片下的場分布，使單元交叉極化性能有所惡化。不過陣列總體的交叉極化性能由于采用了“成對倒相饋電”技術(shù)而獲得改善，因而，隔離槽的引入并不會影響陣列交叉極化指標(biāo)。關(guān)于該S、X波段雙層貼片設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹，可參見文獻(xiàn)［25］。

1.4 L波段單元設(shè)計(jì)

L／S和L／X子陣及L單波段子陣的L波段單元都采用微帶振子，其結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，以確保其輻射特性和端口S參數(shù)的一致性，且便于L波段的陣面拼接。唯一的區(qū)別是L／S子陣中的振子臂長較L／X和L雙極化子陣中的縮短了約20%.這是為了避免奇數(shù)頻率比（fS：fL≈3∶1）時(shí)，子陣分割與印刷振子臂沖突（見圖2的L／S子陣）。因而在L／S子陣微帶振子的饋網(wǎng)中引入了電容性，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。

L波段微帶振子結(jié)構(gòu)如圖3所示。印刷振子置于頂層板下側(cè)，距地板高度λL／4，此時(shí)地板相當(dāng)于反射板；微帶饋網(wǎng)（與高頻波段的有源貼片共面）產(chǎn)生180°反相，并通過平行雙導(dǎo)線垂直連接到印刷振子進(jìn)行饋電。在SMP接頭饋點(diǎn)處采用開路枝節(jié)線來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖3 L波段微帶振子

2 實(shí)測結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，加工并測試了一副L／S／X－TBDP共用口徑天線樣陣，其照片如圖4所示。圖4（b）中自上而下分別是L／X、L和L／S子陣。天線采用Rogers RO6002介質(zhì)板和Rohacell 51HF泡沫作為支撐材料。天線陣的S參數(shù)由Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得，方向圖在12m×6m×6m的室內(nèi)遠(yuǎn)場暗室內(nèi)測得。所有的插損，如同軸、接頭和功分器的插損等，均經(jīng)實(shí)測在數(shù)據(jù)后處理時(shí)予以補(bǔ)償。

圖4 TBDP天線樣陣實(shí)物照片

2.1 L波段

圖5 實(shí)測的L波段｜S11｜和｜S12｜參數(shù)

L波段實(shí)測端口｜S11｜（回波損耗）和｜S12｜（隔離度）參數(shù)如圖5所示。為構(gòu)圖清晰，L／S、L和L／X每個子陣只示出一條曲線。盡管三個子陣L單元的邊界條件不盡相同，但表現(xiàn)出了幾乎相同的端口特性。實(shí)測｜S11｜≤10dB帶寬為167MHz（1.163～1.330GHz，13.4% ），帶內(nèi)陣列隔離度（取為－10lg｜S12｜）優(yōu)于37dB.雖然L波段的陣面由三個不同子陣構(gòu)成，但實(shí)測方向圖與理論值吻合良好，證明陣面拼接對方向圖影響很小，如圖6所示。主瓣內(nèi)交叉極化電平低于－30dB，水平和垂直極化端口的實(shí)測增益分別為13.2dB和14.6dB，折合效率為62%和61.2%.該效率相對較低，是由于L波段使用了較長的平行雙線和微帶倒相饋網(wǎng)所引入的傳輸損耗所致。L波段單元數(shù)量太少，所以未進(jìn)行掃描測試。

圖6 L波段方向圖

2.2 S波段

為避免曲線過多，圖7僅給出S波段某單元兩個極化的S參數(shù)。取S波段所有單元各端口｜S11｜≤10dB的重疊頻域作為陣列帶寬，則S波段實(shí)測帶寬為14.8% （3.25～3.768GHz），略偏向高頻，且?guī)?nèi)波紋系數(shù)稍高于仿真值。帶內(nèi)陣列隔離度優(yōu)于45dB，這里陣列隔離度是指各水平極化端口和垂直極化端口經(jīng)功分器連接后，形成總水平端口和總垂直端口間的隔離度 （需補(bǔ)償功分器和饋線損耗）。實(shí)測方向圖與理論結(jié)果吻合良好，如圖8所示。實(shí)測主瓣內(nèi)交叉極化電平低于－30dB，前后比達(dá)37.8dB；8×2元陣口徑的實(shí)測增益為18.6dB，對應(yīng)天線效率為92.4%.由于另一維單元太少，只在8陣元方向進(jìn)行了掃描測試，如圖9所示。測試采用定制的配相電纜代替移相器；實(shí)測掃描能力為±27°.

2.3 X波段

同樣，圖10僅給出了X波段某單元的S參數(shù)曲線，實(shí)測帶寬為16.8%（9.098～10.781GHz），帶內(nèi)陣列隔離度優(yōu)于43dB.實(shí)測方向圖與理論值吻合良好，如圖11所示。主瓣內(nèi)交叉極化電平低于－35dB，這得益于電大尺寸的地板；邊射時(shí)實(shí)測前后比達(dá)到42.3dB.16×2元陣的實(shí)測垂直和水平極化增益為22.19dB和21.79dB，效率分別為92.7%和84.5%.圖12為實(shí)測掃描方向圖，兩個極化在二主面上掃描范圍均優(yōu)于±25°.

圖10 實(shí)測X波段S參數(shù)

3 結(jié) 論

本文提出了把共口徑DBDP天線陣擴(kuò)展成共口徑TBDP天線陣的方法，并介紹了一副共用口徑L／S／X TBDP天線陣的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了方法的有效性。實(shí)測結(jié)果顯示了良好的電性能：三個波段帶寬相近，為13.7% ～16.7%；所有波段的帶內(nèi)隔離度均優(yōu)于37dB；方向圖與理論結(jié)果吻合良好，主瓣內(nèi)交叉極化電平均低于－30dB，實(shí)測S和X波段相位掃描能力優(yōu)于±25°.并表明，子陣拼接的影響很小。與三波段獨(dú)立口徑天線陣相比，樣陣口徑縮小了三分之一。若將中間L波段子陣置換成其他共口徑DBDP子陣（如：L／C子陣），可以擴(kuò)展成四波段或更多波段的共用口徑天線陣。

致謝感謝中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所的項(xiàng)目經(jīng)理魏駟、工藝師吳文煜和結(jié)構(gòu)師王志剛等在天線加工中給予很多建議和幫助。

［1］JORDAN R L，HUNEYCUTT B L，WERNE M.The SIR－C／X－SAR synthetic aperture radar system［J］.IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing，1995，33（4）：829－839.

［2］POZAR D M，SCHAUBERT D H，TARGONSKI S D，et al.A dual－band dual－polarized array for spaceborne SAR［C］∥IEEE Antennas and Propagat Soc Int Symp.Atlanta，1998（4）：2112－2115.

［3］SHAFAI L L，CHA M MA W A，BARAKAT M，et al.Dual－band dual－polarized perforated microstrip antennas for SAR applications［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2000，48（1）：58－66.

［4］鐘順時(shí).合成孔徑雷達(dá)的雙波段雙極化共孔徑天線陣技術(shù)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31（11）：1－5.ZHONG Shunshi.Dual－band dual－polarization sharedaperture SAR array antenna technology［J］.Modern Radar，2009，31（11）：1－5.

［5］SHAFAI L L，CHA M，MA W.Bandwidth and polarization characteristics of perforated patch antennas［C］∥10th International Conference on Antennas and Propagation.Edinburgh，April 1997：143－146.

［6］POZAR D M，TARGONSKI S D.A shared－aperture dual－band dual－polarized microstrip array［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2001，49（2）：150－157.

［7］VETHARATNA M G，KUAN C B，TEIK C H.Combined feed network for a shared－aperture dualband dual－polarized array［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagat Lett，2005，4：297－299.

［8］VALLECCHI A，GENTILI G B，CALA M M.Dualband dual polarization microstrip antenna［C］∥IEEE Antennas and Propagat Soc Int.Symp，June 2003，（4）：134－137.

［9］WINCZA K，GRUSZCZYNSKI S，GRZEGORZ J.Integrated dual－band dual－polarized antenna ele ment for SAR applications［C］∥ 2009IEEE Wireless and Microwave Technology，Conference，Clearwater，2009：1－4.

［10］JAWORSKI G.Dual frequency ＆ dual－linear polarization integrated antenna array for application in synthetic aperture radar［C］∥7th European Radar Conference.Paris，2010：523－526.

［11］HSU S H，REN Y J，CHANG K.A dual－polarized planar－array antenna for S－band and X－band airborne applications［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2009，51（4）：70－78.

［12］SALVADOR C，BORSELLI L，F(xiàn)ALCIANI A，et al.Dual frequency planar antenna at S and X bands［J］.Electron Lett，1995，31（20）：1706－1707.

［13］QU X，ZHONG S S，ZHANG Y M，et al.Design of an S／X dual－band dual－polarised microstrip antenna array for SAR applications［J］.IET Microw Antennas Propagat，2007，1（2）：513－517.

［14］鐘順時(shí)，瞿新安，張玉梅，等.共用口徑S／X雙波段雙極化微帶天線陣 ［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（2）：305－309.ZHONG Shunshi，QU Xinan，ZHANG Yumei，et al.Shared－aperture S／X dual－band dual－polarized microstrip antenna array［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（2）：305－309.

［15］GAO G M，ZHANG Y M，LI A，et al.Shared－aperture Ku／Ka bands microstrip array feeds for parabolic cylindrical reflector［C］∥ 2010International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Chengdu，2010：1028－1030.

［16］POKULS R，UHER J，POZAR D M.Dual－frequency and dual－polarization microstrip antennas for SAR applications［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，1998，46（9）：1289－1296.

［17］HE S H，XIE J D.Analysis and design of a novel dual－band array antenna with a low profile for 2400／5800－MHz WLAN systems［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2010，58（2）：391－396.

［18］WOELDERS K，GRANHOL M J.Cross－polarization and sidelobe suppression in dual linear polarization antenna arrays［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，1997，45（12）：1727－1740.

［19］GAO S C，LI L W，LEONG M S，et al.Dual－polarized slot－coupled planar antenna with wide bandwidth［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2003，51（3）：441－448.

［20］LU J，KUAI Z，ZHU X，et al.A high－isolation dual－polarization microstrip patch antenna with quasicross－shaped coupling slot［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2011，59（7）：2713－2717.

［21］CHIOU T W，WONG K L.Broad－band dual－polarized single microstrip patch antenna with high isolation and low cross polarization［J］.IEEE Trans.Antennas Propagat，2002，50（3）：399－40

［22］梁仙靈，鐘順時(shí)，汪 偉.高隔離度雙極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（5）：731－734.LIANG Xianling，ZHONG Shunshi，WANG Wei.Design of a dual－polarized microstrip patch antenna with high isolation［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（5）：731－734.

［23］徐永杰，姜 興.Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線陣的設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：146－150.XU Yongjie，JIANG Xing.Design of broadband dualfrequency and dual－polarized microstrip antenna array at Ku－band ［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（1）：146－150.

［24］WATERHOUSE R B.Design of probe－fed stacked patches［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，1999，47（12）：1780－1784.

［25］KONG L B，ZHONG S S，SUN Z.Broadband microstrip element design of a DBDP shared－aperture SAR array［J］.Microw Opti Tech Lett，2012，54（1）：133－136.