共口徑三波段雙極化合成孔徑雷達(dá)天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)

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(guó)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(xiàn)技術(shù)，可以在保證各波段增益的前提下，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)［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(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)，迄今仍未見(jiàn)報(bào)道三波段雙極化（TBDP）共用口徑SAR平面天線(xiàn)陣。

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

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 總體陣面設(shè)計(jì)

從SAR系統(tǒng)的角度來(lái)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(zhǎng)成正比。如引言中提及的SIR－C／X－SAR雷達(dá)三波段天線(xiàn)，它由三副L、C和X單波段天線(xiàn)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(zhǎng)比8∶2∶1大致相同。因此，對(duì)于本天線(xiàn)，按相應(yīng)波長(zhǎng)比例設(shè)計(jì)的獨(dú)立口徑TBDP天線(xiàn)陣面如圖1（a）所示，自上至下依次為S、L和X三個(gè)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(zhǎng)／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(zhǎng)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(xiàn)陣的設(shè)計(jì)分解成為兩個(gè)共口徑DBDP天線(xiàn)陣和一個(gè)單波段DP天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)。從而可大量借鑒已有的共口徑DBDP天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)和加工經(jīng)驗(yàn)，大大地簡(jiǎn)化了TBDP陣的設(shè)計(jì)并降低了研制風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 TBDP天線(xiàn)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(gè)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(duì)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(huì)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(jiàn)圖2.水平和垂直極化單元數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致方向圖波束寬度有差異，但當(dāng)口徑很長(zhǎng)時(shí)，這一差異可以忽略。而實(shí)際的SAR天線(xiàn)正是如此，例如SIR－C／X－SAR天線(xiàn)的方位向口徑長(zhǎng)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(lì)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(duì)稱(chēng)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(duì)主極化影響很小，但是它的引入擾亂了貼片下的場(chǎng)分布，使單元交叉極化性能有所惡化。不過(guò)陣列總體的交叉極化性能由于采用了“成對(duì)倒相饋電”技術(shù)而獲得改善，因而，隔離槽的引入并不會(huì)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(jiàn)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(zhǎng)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(jiàn)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(guò)平行雙導(dǎo)線(xiàn)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(kāi)路枝節(jié)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖3 L波段微帶振子

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，加工并測(cè)試了一副L／S／X－TBDP共用口徑天線(xiàn)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(xiàn)采用Rogers RO6002介質(zhì)板和Rohacell 51HF泡沫作為支撐材料。天線(xiàn)陣的S參數(shù)由Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得，方向圖在12m×6m×6m的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)暗室內(nèi)測(cè)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(cè)在數(shù)據(jù)后處理時(shí)予以補(bǔ)償。

圖4 TBDP天線(xiàn)樣陣實(shí)物照片

2.1 L波段

圖5 實(shí)測(cè)的L波段｜S11｜和｜S12｜參數(shù)

L波段實(shí)測(cè)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(gè)子陣只示出一條曲線(xiàn)。盡管三個(gè)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(cè)｜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(gè)不同子陣構(gòu)成，但實(shí)測(cè)方向圖與理論值吻合良好，證明陣面拼接對(duì)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(cè)增益分別為13.2dB和14.6dB，折合效率為62%和61.2%.該效率相對(duì)較低，是由于L波段使用了較長(zhǎng)的平行雙線(xiàn)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(cè)試。

圖6 L波段方向圖

2.2 S波段

為避免曲線(xiàn)過(guò)多，圖7僅給出S波段某單元兩個(gè)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(cè)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(xiàn)損耗）。實(shí)測(cè)方向圖與理論結(jié)果吻合良好，如圖8所示。實(shí)測(cè)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(cè)增益為18.6dB，對(duì)應(yīng)天線(xiàn)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(cè)試，如圖9所示。測(cè)試采用定制的配相電纜代替移相器；實(shí)測(cè)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(xiàn)，實(shí)測(cè)帶寬為16.8%（9.098～10.781GHz），帶內(nèi)陣列隔離度優(yōu)于43dB.實(shí)測(cè)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(cè)前后比達(dá)到42.3dB.16×2元陣的實(shí)測(cè)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(cè)掃描方向圖，兩個(gè)極化在二主面上掃描范圍均優(yōu)于±25°.

圖10 實(shí)測(cè)X波段S參數(shù)

3 結(jié) 論

本文提出了把共口徑DBDP天線(xiàn)陣擴(kuò)展成共口徑TBDP天線(xiàn)陣的方法，并介紹了一副共用口徑L／S／X TBDP天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了方法的有效性。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示了良好的電性能：三個(gè)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(cè)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(xiàn)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(xiàn)陣。

致謝感謝中國(guó)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(xiàn)加工中給予很多建議和幫助。

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