可收攏展開的寬帶雙圓極化柔性薄膜天線

詹珍賢，張軼江，趙 寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

可收攏展開的寬帶雙圓極化柔性薄膜天線

詹珍賢，張軼江，趙 寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

星載相控陣?yán)走_(dá)因其平臺(tái)的特殊性要求其天線具有大型輕質(zhì)、可收攏展開的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種可收攏展開的寬帶雙圓極化柔性薄膜天線。天線各層均采用柔性薄膜材料制作，相鄰層間為空氣，因此天線整體為柔性可收攏展開。采用兩相互垂直的“H”形縫隙和雙層微帶貼片結(jié)構(gòu)，并結(jié)合3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)了寬帶和高隔離度的雙圓極化。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該薄膜天線單元兩饋電端口駐波小于2的相對(duì)帶寬約為36%，極化隔離度大于32 dB，并給出了天線單元雙圓極化波瓣方向圖的測(cè)試結(jié)果，其3 dB波瓣寬度為64°，天線單元增益為6.2 dB，并設(shè)計(jì)了天線小陣。

柔性天線；薄膜天線；雙圓極化；微帶天線

0 引 言

隨著相控陣?yán)走_(dá)和通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，特別是基于天基平臺(tái)的星載相控陣?yán)走_(dá)，除了要求天線具有更大的面積、更輕的質(zhì)量，還要求天線具有可收攏展開的特性，在發(fā)射升空時(shí)可以收攏以滿足小包絡(luò)體積的平臺(tái)要求，而在軌工作時(shí)則要求展開以實(shí)現(xiàn)大孔徑面積。目前，國外的星載大孔徑相控陣天線通常采用輕型板狀的波導(dǎo)縫隙天線、充氣薄膜反射面天線和柔性薄膜相控陣天線[1-3]等形式。其中，柔性薄膜相控陣天線不僅繼承了有源相控陣天線的優(yōu)良性能，而且具有質(zhì)量超輕、收攏體積小、制作和發(fā)射成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此成為下一代星載相控陣?yán)走_(dá)天線的發(fā)展方向[4]。

根據(jù)已有星載SAR系統(tǒng)的成像結(jié)果[5]，由于電磁波在低頻段具有穿透能力，P波段SAR可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉簇覆蓋目標(biāo)和地表下淺層目標(biāo)的遠(yuǎn)距離成像，可以在生物量調(diào)查、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域和反偽裝、葉簇穿透探測(cè)隱蔽目標(biāo)等軍事活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。另外，由于線極化電磁波在穿透電離層時(shí)因法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)所帶來的極化失配損失較大[6]，通常要求星載雷達(dá)天線采用圓極化的工作方式。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于柔性薄膜結(jié)構(gòu)的可收攏展開的P波段寬帶高隔離度的雙圓極化天線，采用一對(duì)“H”形縫隙口徑耦合饋電和雙層微帶貼片獲得了較大的帶寬和較高的隔離度。并在柔性薄膜介質(zhì)材料上加工微帶貼片，且相鄰層間為空氣，不僅極大減輕了天線重量，而且天線整體呈柔性可收攏展開，減小了存儲(chǔ)體積，可以滿足星載相控陣?yán)走_(dá)天線的特殊需求。

1 天線單元設(shè)計(jì)

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

本天線單元采用“H”形縫隙口徑耦合饋電。該結(jié)構(gòu)形式可減小饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射[7]，易實(shí)現(xiàn)寬頻諧振，降低交叉極化，并采用雙層方形微帶貼片以擴(kuò)展帶寬。天線單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由3層柔性薄膜組成，第1層和第2層為加工在厚度0.05 mm的聚酰亞胺薄膜介質(zhì)材料上的方形微帶天線貼片。上層為寄生貼片，下層為激勵(lì)貼片，上層貼片通過與下層貼片的耦合來獲得激勵(lì)，兩貼片的諧振頻率臨近，以形成雙峰寬頻帶諧振特性。第3層的上表面為開有一對(duì)垂直“H”形縫隙的接地金屬薄膜，下表面為微帶饋線，縫隙層和饋線層由厚度2 mm、介電常數(shù)1.08的柔性泡沫材料粘接隔開，通過縫隙口徑耦合為貼片饋電，同時(shí)兩縫隙正交放置，激勵(lì)出空間正交的場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)雙極化。各相鄰層間均為空氣介質(zhì)，減小了天線的相對(duì)介電常數(shù)，降低了微帶天線諧振空腔的Q值[8]，可以進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬。兩極化端口采用共面饋電，結(jié)合3 dB電橋可實(shí)現(xiàn)圓極化，其饋電方式易于組成大型陣列，以滿足天基雷達(dá)系統(tǒng)作用距離遠(yuǎn)、監(jiān)視范圍大和高增益的需求。

對(duì)星載SAR系統(tǒng)而言，P波段電磁波在穿透電離層時(shí)的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)非常嚴(yán)重，極化矢量的法拉第旋轉(zhuǎn)將修改電磁信號(hào)的極化與相位特性。對(duì)于線極化電磁波，受穿透電離層時(shí)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，在接收點(diǎn)處的合成波將表現(xiàn)為橢圓極化，其橢圓長軸隨傳播條件的變化而不斷旋轉(zhuǎn)。當(dāng)合成波的極化橢圓長軸與接收天線的極化方向相同時(shí)，接收機(jī)的輸入電壓達(dá)到最大；當(dāng)合成波的極化橢圓長軸與接收天線的極化方向垂直時(shí)，接收機(jī)的輸入電壓最小，從而使接收的信號(hào)幅度發(fā)生極化失配衰落現(xiàn)象，接收功率減小。而對(duì)于圓極化電磁波，則可以克服法拉第極化旋轉(zhuǎn)對(duì)接收信號(hào)功率的影響。

圖2 雙圓極化實(shí)現(xiàn)原理圖

因此，本天線采用圓極化工作方式，發(fā)射信號(hào)左旋/右旋圓極化可選擇，接收信號(hào)左旋、右旋圓極化同時(shí)接收，其雙圓極化的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。發(fā)射時(shí)，電磁波發(fā)射信號(hào)經(jīng)過環(huán)行器和3 dB電橋后傳輸至天線的兩個(gè)極化饋電端口，使兩極化端口的饋電信號(hào)幅度相等、相位相差90°，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，并通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)左旋/右旋圓極化發(fā)射可選擇。接收時(shí)，兩極化端口接收到的兩路等幅同相的信號(hào)經(jīng)過3 dB電橋和兩個(gè)環(huán)行器后輸出至接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)左旋、右旋圓極化電磁波的同時(shí)接收。

2 單元仿真及測(cè)試結(jié)果

通過電磁仿真軟件HFSS建模進(jìn)行仿真，可以優(yōu)化天線單元的各結(jié)構(gòu)尺寸以改善阻抗匹配和最佳耦合距離。經(jīng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)后天線單元兩饋電端口的電壓駐波比曲線如圖3所示，垂直極化端口和水平極化端口在355～500 MHz頻率范圍內(nèi)的仿真駐波小于2，相對(duì)帶寬為34%。制作完成的單個(gè)天線單元的實(shí)物照片如圖4所示。

圖3 兩饋電端口駐波仿真結(jié)果

圖4 天線單元實(shí)物照片

由于先期僅制作單個(gè)天線單元，因此暫時(shí)沒有制作展開機(jī)構(gòu)及張拉框架，而是采用介電常數(shù)與空氣相近的泡沫材料代替各相鄰層間的空氣介質(zhì)。在微波暗室內(nèi)對(duì)該薄膜天線單元的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。其兩個(gè)饋電端口的電壓駐波比測(cè)試曲線如圖5所示，垂直極化端口在346～500 MHz頻率范圍內(nèi)的駐波小于2，相對(duì)帶寬為35.8%；水平極化端口在347～504 MHz頻率范圍內(nèi)的駐波小于2，相對(duì)帶寬為36.5%。兩饋電端口駐波的測(cè)試曲線與仿真曲線基本吻合，阻抗帶寬向低頻略有展寬，具有多諧振特性，但是水平極化端口的駐波比在390～430 MHz之間略有抬高。兩饋電端口的極化隔離度的測(cè)試曲線如圖6所示，在測(cè)試帶寬內(nèi)的極化隔離度大于32 dB。在中心頻率430 MHz處，該薄膜天線單元左旋、右旋雙圓極化的波瓣方向圖測(cè)試結(jié)果如圖7所示，兩波瓣形狀基本吻合，其3 dB波瓣寬度約64°，增益約6.2 dB?？梢姡摫∧ぬ炀€具有寬頻帶、高隔離度和高增益等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 兩饋電端口駐波比測(cè)試結(jié)果

圖6 兩饋電端口極化隔離度測(cè)試結(jié)果

圖7 天線單元雙圓極化波瓣測(cè)試結(jié)果

3 天線小陣設(shè)計(jì)

基于該天線單元，設(shè)計(jì)了8×6單元的天線小陣，方位向每行8個(gè)單元的兩個(gè)極化端口分別由兩個(gè)微帶功分網(wǎng)絡(luò)集成饋電。在HFSS軟件中對(duì)該天線小陣進(jìn)行仿真，各饋電端口的電壓駐波比曲線見圖8，各端口在360～495 MHz頻率范圍內(nèi)的駐波比小于2，相對(duì)帶寬約31%。由于各相鄰層間為空氣介質(zhì)，天線整體呈柔性，可以折疊或卷曲收攏以減小存儲(chǔ)體積和重量，滿足星載平臺(tái)發(fā)射升空時(shí)的特殊要求；在軌工作時(shí)由展開機(jī)構(gòu)展開以實(shí)現(xiàn)大孔徑面積，并通過張拉裝置使天線陣面達(dá)到預(yù)定張力繃緊保持平面，同時(shí)使天線各層之間保持固定間距(圖9)，從而滿足星載雷達(dá)有源相控陣天線特殊的存儲(chǔ)和工作要求。

圖8 天線小陣各端口駐波比曲線

圖9 天線小陣結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用口徑耦合理論和多層貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種P波段寬帶高隔離度的雙圓極化柔性薄膜天線。采用縫隙口徑耦合和雙層微帶貼片結(jié)構(gòu)形式增大了帶寬和極化隔離度，并結(jié)合3dB電橋?qū)崿F(xiàn)了雙圓極化。仿真及測(cè)試結(jié)果表明，該天線的相對(duì)阻抗帶寬達(dá)36%，極化隔離度大于32dB，天線單元增益6.2dB，說明該天線具有寬頻帶、高隔離度和高增益等優(yōu)點(diǎn)。天線各層均采用柔性薄膜材料，相鄰層間為空氣介質(zhì)，使天線具有整體柔性、可收攏展開、存儲(chǔ)體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以滿足星載相控陣?yán)走_(dá)天饋系統(tǒng)的特殊需求。

[1] HUANG J, LOU M, FERIA A, et al. An Inflatable L-Band Microstrip SAR Array[C] // IEEE AP-S Symposium, Georgia, 1998: 2100-2103.

[2] HUANG J, FANG H, LOPEZ B, et al.. The Development of Inflatable Array Antennas[C]//Space 2003 Conference and Exhibit, AIAA 2003-6320: 1-7.

[3] HUANG J. Paper-thin Membrane Aperture-Coupled L-Band Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2005, 53(8): 2499-2502.

[4] 于大群，朱瑞平，夏琛海. 薄膜天線單元的初步研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(10): 83-85.

[5] RIGNOT J, ZIMMERMANN R, VAN J. Spaceborne Applications of P-Band Imaging Radars for Measuring Forest Biomass[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995, 33(5): 1162-1169.

[6] 趙寧，談璐璐，張永勝，等. 星載P波段SAR電離層效應(yīng)的雙頻校正方法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2013, 11(3): 255-261.

[7] BALANIS C. Modern Antenna Handbook[M]. NJ：John Wiley & Sons, 2008.

[8] 鐘順時(shí). 天線理論與技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011：268-286.

Deployable dual-circularly-polarized wideband flexible thin film antenna

ZHAN Zhen-xian, ZHANG Yi-jiang, ZHAO Ning

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The antenna of the space-borne phased array radar is large, light and deployable because of its special platform. A dual-circularly-polarized wideband flexible thin film antenna is designed. Each layer of the antenna is made of flexible thin film materials and there is air between adjacent layers. Therefore, the entire antenna is flexible and can be folded and deployed. Two vertical H-shape slots, double-layer microstrip patch, and 3dB electric bridge are adopted to realize dual circular polarization with wideband and high isolation. The simulation and test results show that the relative bandwidths of the two feed ports are about 36% when the VSWR is below 2, and the isolation between the two polarization ports is better than 32dB. The results of the antenna element dual-circularly-polarized beam patterns show that the beam widths at 3dB are 64°, and the gain of the antenna element is 6.2dB. The antenna array is also designed.

flexible antenna; thin film antenna; dual-circular polarization; microstrip antenna

2014-04-28

詹珍賢(1982-)，男，工程師，博士，研究方向: 有源相控陣天線；張軼江(1978-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：陣列天線；趙寧(1973-)，男，高級(jí)工程師，博士，研究方向：SAR。

TN822

A

1009-0401(2014)03-0027-03