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.,
pp.2237-2240, 2006.
[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
Thickness Measurement，IEEE TAP., Vol.55，pp.2718-2722, Oct. 2007.
[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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