共口径三波段双极化合成孔径雷达天线阵的设计

孙 竹 钟顺时 孔令兵 高 初 汪 伟 金谋平

（1.上海大学通信与信息工程学院，上海200072；

2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230031）

引 言

现代合成孔径雷达（SAR）系统往往要求多波段多极化工作模式，例如2002年实现全球3D成像的SIR－C／X－SAR三波段雷达［1］。多波段双极化共用口径天线技术，可以在保证各波段增益的前提下，实现天线体积和载荷的最小化［2－3］，因此成为该领域的前沿之一。目前已报道了双波段双极化（DBDP）共用口径微带天线阵的许多设计方案，按阵面结构可大致分为以下两类［4］：打孔贴片／贴片［2－10］和交织阵面结构［11－17］。就作者所知，按已公开发表的文献，迄今仍未见报道三波段双极化（TBDP）共用口径SAR平面天线阵。

提出一种新的通用的设计方法，将DBDP天线阵扩展成三波段双极化共用口径天线阵。着眼于未来SAR系统的要求，该天线阵同时工作于L（1.25 GHz）、S（3.5GHz）和 X（10GHz）波段，每个波段均为双极化，且具有二维扫描能力。天线阵的设计及测试结果介绍如下。

1 天线设计

1.1 总体阵面设计

从SAR系统的角度来看，一般要求各波段在横向（与方位向正交）的波束宽度大致相当［6］，以产生相同宽度的扫描带，即各波段在口径横向的宽度应与其波长成正比。如引言中提及的SIR－C／X－SAR雷达三波段天线，它由三副L、C和X单波段天线组成，各波段都有独立口径，其横向尺寸分别为2.95 m、0.75m、0.4m［1］，口径宽度比为7.375∶1.875∶1，与波长比8∶2∶1大致相同。因此，对于本天线，按相应波长比例设计的独立口径TBDP天线阵面如图1（a）所示，自上至下依次为S、L和X三个波段子阵。L波段口径宽度2.88m，S波段1.08m，X波段0.36m，口径比为8∶3∶1.

本文提出的新方案如图1（b）所示，上下两侧分别为L／S和L／X DBDP子阵，中间用L波段双极化（DP）子阵补足所需增益的口径宽度。L波段宽度0.72×2＋1.08＋0.36＝2.88m，S波段1.08m，X波段0.36m，口径比为8∶3∶1，与波长比相似。与独立口径方案相比，口径横向尺寸由1.08＋2.88＋0.36＝4.32m 减至2.88m，口径宽度缩短了三分之一。这一方案相当于将图1（a）方案中上下两侧的S与X单波段子阵，分别叠加到L单波段子阵上。这样就使共口径TBDP天线阵的设计分解成为两个共口径DBDP天线阵和一个单波段DP天线阵的设计。从而可大量借鉴已有的共口径DBDP天线阵的设计和加工经验，大大地简化了TBDP阵的设计并降低了研制风险。

图1 TBDP天线阵方案示意图

1.2 L、L／S和L／X子阵设计

L／S和L／X两个DBDP共口径子阵采用了图2所示的交织阵面结构，因其具有设计灵活、适用于奇数频率比等优点［13－14］。其中S和X波段单元采用方形晶格状排列，并运用相邻单元成对倒相馈电的技术，以抑制主瓣内交叉极化电平和改善阵列极化隔离度［18］。扫描能力定为±25°，并且为了便于与L波段单元交织等考虑，S和X波段单元间距分别取0.65λS和0.62λX.

L／S和L／X子阵的L波段单元结构都相同，采用“T”字形排布的印刷振子，交织于S或X波段子阵空隙中。由于这种“T”型排布会使L波段水平和垂直极化阵列的单元数不一致，为此增加一根额外的垂直振子，以保证水平／垂直极化阵列的几何中心（相位中心）相重合［2］，见图2.水平和垂直极化单元数不同会导致方向图波束宽度有差异，但当口径很长时，这一差异可以忽略。而实际的SAR天线正是如此，例如SIR－C／X－SAR天线的方位向口径长度达12m［1］.

图2 TBDP阵面结构图

1.3 S及X波段单元设计

考虑到交叉极化、带宽和加工容差等要求，S波段单元（L／S子阵）和X波段单元（L／X子阵）都采用双层方形贴片结构。二者结构相似，图2的插图中给出了S波段单元的透视图和X波段单元的顶视图。馈电方式选择上，尽管口径耦合、混合激励和平衡馈电等方案能提供更良好的隔离度［19－23］，但因它们结构复杂，阵列中加工可靠性、一致性较低。因此，本设计中仍采用双探针馈电［24］。

为改善双探针馈电的极化隔离度，在有源贴片上蚀刻了非对称隔离槽（S、X波段采用了不同形状的隔离槽）。结果表明，隔离槽能明显地改善带内隔离度。作为一种“微扰”，隔离槽对主极化影响很小，但是它的引入扰乱了贴片下的场分布，使单元交叉极化性能有所恶化。不过阵列总体的交叉极化性能由于采用了“成对倒相馈电”技术而获得改善，因而，隔离槽的引入并不会影响阵列交叉极化指标。关于该S、X波段双层贴片设计的详细介绍，可参见文献［25］。

1.4 L波段单元设计

L／S和L／X子阵及L单波段子阵的L波段单元都采用微带振子，其结构几乎完全相同，以确保其辐射特性和端口S参数的一致性，且便于L波段的阵面拼接。唯一的区别是L／S子阵中的振子臂长较L／X和L双极化子阵中的缩短了约20%.这是为了避免奇数频率比（fS：fL≈3∶1）时，子阵分割与印刷振子臂冲突（见图2的L／S子阵）。因而在L／S子阵微带振子的馈网中引入了电容性，实现了小型化设计。

L波段微带振子结构如图3所示。印刷振子置于顶层板下侧，距地板高度λL／4，此时地板相当于反射板；微带馈网（与高频波段的有源贴片共面）产生180°反相，并通过平行双导线垂直连接到印刷振子进行馈电。在SMP接头馈点处采用开路枝节线来实现阻抗匹配。

图3 L波段微带振子

2 实测结果

为验证设计的有效性，加工并测试了一副L／S／X－TBDP共用口径天线样阵，其照片如图4所示。图4（b）中自上而下分别是L／X、L和L／S子阵。天线采用Rogers RO6002介质板和Rohacell 51HF泡沫作为支撑材料。天线阵的S参数由Agilent N5230A矢量网络分析仪测得，方向图在12m×6m×6m的室内远场暗室内测得。所有的插损，如同轴、接头和功分器的插损等，均经实测在数据后处理时予以补偿。

图4 TBDP天线样阵实物照片

2.1 L波段

图5 实测的L波段｜S11｜和｜S12｜参数

L波段实测端口｜S11｜（回波损耗）和｜S12｜（隔离度）参数如图5所示。为构图清晰，L／S、L和L／X每个子阵只示出一条曲线。尽管三个子阵L单元的边界条件不尽相同，但表现出了几乎相同的端口特性。实测｜S11｜≤10dB带宽为167MHz（1.163～1.330GHz，13.4% ），带内阵列隔离度（取为－10lg｜S12｜）优于37dB.虽然L波段的阵面由三个不同子阵构成，但实测方向图与理论值吻合良好，证明阵面拼接对方向图影响很小，如图6所示。主瓣内交叉极化电平低于－30dB，水平和垂直极化端口的实测增益分别为13.2dB和14.6dB，折合效率为62%和61.2%.该效率相对较低，是由于L波段使用了较长的平行双线和微带倒相馈网所引入的传输损耗所致。L波段单元数量太少，所以未进行扫描测试。

图6 L波段方向图

2.2 S波段

为避免曲线过多，图7仅给出S波段某单元两个极化的S参数。取S波段所有单元各端口｜S11｜≤10dB的重叠频域作为阵列带宽，则S波段实测带宽为14.8% （3.25～3.768GHz），略偏向高频，且带内波纹系数稍高于仿真值。带内阵列隔离度优于45dB，这里阵列隔离度是指各水平极化端口和垂直极化端口经功分器连接后，形成总水平端口和总垂直端口间的隔离度 （需补偿功分器和馈线损耗）。实测方向图与理论结果吻合良好，如图8所示。实测主瓣内交叉极化电平低于－30dB，前后比达37.8dB；8×2元阵口径的实测增益为18.6dB，对应天线效率为92.4%.由于另一维单元太少，只在8阵元方向进行了扫描测试，如图9所示。测试采用定制的配相电缆代替移相器；实测扫描能力为±27°.

2.3 X波段

同样，图10仅给出了X波段某单元的S参数曲线，实测带宽为16.8%（9.098～10.781GHz），带内阵列隔离度优于43dB.实测方向图与理论值吻合良好，如图11所示。主瓣内交叉极化电平低于－35dB，这得益于电大尺寸的地板；边射时实测前后比达到42.3dB.16×2元阵的实测垂直和水平极化增益为22.19dB和21.79dB，效率分别为92.7%和84.5%.图12为实测扫描方向图，两个极化在二主面上扫描范围均优于±25°.

图10 实测X波段S参数

3 结 论

本文提出了把共口径DBDP天线阵扩展成共口径TBDP天线阵的方法，并介绍了一副共用口径L／S／X TBDP天线阵的设计，验证了方法的有效性。实测结果显示了良好的电性能：三个波段带宽相近，为13.7% ～16.7%；所有波段的带内隔离度均优于37dB；方向图与理论结果吻合良好，主瓣内交叉极化电平均低于－30dB，实测S和X波段相位扫描能力优于±25°.并表明，子阵拼接的影响很小。与三波段独立口径天线阵相比，样阵口径缩小了三分之一。若将中间L波段子阵置换成其他共口径DBDP子阵（如：L／C子阵），可以扩展成四波段或更多波段的共用口径天线阵。

致谢感谢中国电子科技集团公司第三十八研究所的项目经理魏驷、工艺师吴文煜和结构师王志刚等在天线加工中给予很多建议和帮助。

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