低交叉极化高隔离度的C波段双极化微带天线的设计1
孙竹，钟顺时，汤小蓉
上海大学通信与信息工程学院，上海(200072)
E-mail: kiddodo@163
摘要：本文介绍了一种混合激励的具有低交叉极化和高端口隔离特性的C波段双极化双层微带贴片单元的设计。该天线单元的10dB反射损失带宽达840MHz，约15.6%，覆盖了整个C波段的雷达频段（5.1GHz-5.9GHz），天线单元的两个极化的交叉极化电平值在整个频段内均低于-37dB，极化端口隔离度在整个频段内低于-43dB，方向图前后比大于20dB，天线增益稳定在9dB以上。此外，该天线还具有结构紧凑的优点，易于拓展成大型天线阵列，适合于作相控阵天线、合成口径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)天线的阵列单元。关键词：微带贴片天线；双极化；高隔离度；SAR天线
1. 引言
在合成口径雷达系统应用中，数据的后处理算法往往要求雷达天线具有高端口隔离度与低交叉极化的特性，以避免可能产生的成像模糊问题。从天线技术的角度而言，天线阵的端口隔离度取决于每个单元的端口隔离度，而天线阵的交叉极化特性尚可通过排阵中采用“成对等幅反相馈电”技术[1-3]进行改善。因
polarised此，设计用于成像雷达的天线阵列单元，首要任务是实现高端口隔离度指标，其次是实现低交叉极化电平。文献[4]中指出，目前的算法一般要求天线的交叉极化电平应当抑制在-30dB以下。
在提高双极化天线单元的端口隔离度及降低交叉极化电平方面，已有不少文章可供参考，文献[5]通过调整口径耦合的两个耦合槽的位置，使之排布成“T”字型，在频带内实现端口隔离度大于36dB。文献[6]通过改变耦合槽形状，将H形槽的“双臂”略微向内弯曲，在带内实现隔离度34dB以上。[7]中采用混合馈电的方法，对两个极化端口分别采用口径耦合和电容性耦合方式馈电(capacitive coupled feed)在两个端口都采用平衡馈电，在频带内的隔离度超过了40dB。
本文首先通过对贴片天线单元形状和馈电技术的分析，提出一种混合馈电的设计，然后由数值分析软件仿真和优化确定天线的参数和特性。
2．天线设计思路
由格林定理可知，天线的辐射可以看成是贴片上分布的电流元在远场的辐射的迭加。因此，想得到好的交叉极化特性需要贴片上的电流分布更规则，也就是希望贴片下能产生规整的场分布。
2.1 辐射单元形状分析
由于希望得到规整的场分布，因此双极化贴片单元常用二维对称的结构，诸如：方形贴片、圆形贴片
、方环形贴片、圆环形贴片等。以下以最常用的圆形贴片及方形贴片进行分析。圆形贴片一般工作于TM11模，方形贴片则工作于基模TM01，电流分布如图1所示。
圆贴片中，偏离中轴的电流可分解为平行主极化分量与垂直主极化分量。垂直主极化分量除了在辐射正方向上左右相消，在其余方向上均会抬高交叉极化电平。另外，在探针激励
1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(20050280016)；国家高技术发展研究(863计划)(2007AA12Z125)的资助。
的单层圆贴片中，为了阻抗匹配，一般会将馈点移向贴片中心。馈点越向内移，阻抗越小，但是交叉极化电平越高，这是由于圆贴片的中心对称结构造成的，在加工不完善情况下更可能造成极化旋转。而方贴片则无此之虞，因此大多数有低交叉极化电平要求的雷达天线都采用方形贴片。图2为匹配后的单层圆贴片与方贴片比较图，方形贴片交叉极化特性明显占优。
图1 贴片电流分布示意图
G a i n  / d B
Angle / Degree
G a i n  / d B
Angle / Degree
图2  匹配的单层圆贴片/方贴片交叉极化性能比较图
2.2 馈电技术
通常我们用两个正交端口来激励起两个正交的模式，实现双极化。常规激励方法包括探馈、口径耦合
、临近耦合、共面微带线4种。同样，出于交叉极化性能考虑，我们希望激励起的场越规则越好。但是，任何一种天线馈电方式必然会在馈点改变贴片腔内的边界条件(例如：口径耦合的槽改变了原本“电壁”的特性，探针的同轴内芯则相当于加入一根竖直的“电壁”)，带来场的不连续性，扰乱场的分布，这是我们需要竭力避免的。
图3为中心馈点与偏置馈点的电场分布/交叉极化比较图。偏置馈电约在-36dB 而中心馈电更低，约在-42dB 。由场分布可以发现，虽然天线的馈电将不可避免的引入场的不连续性，但是可以通过合理的安排馈电点减小它的影响。中心馈电的方法将耦合槽放在电场零值的位置，最大限度减小了对场的扰动。且由于中心位置使得引入耦合槽后的贴片腔内边界条件依然保持对称，这也是降低交叉极化的一个重要原因。
另一极化方向上显然无法再次使用口径耦合，因为这将导致耦合槽相交而降低端口隔离度，因此在另一方向上采用同轴探馈。由图3中心馈电的场分布图可知，由于结构的高度对称性，产生场分布的高度对称性，进而产生良好的交叉极化特性。因此，在同轴探馈端口采用平衡馈电的方法，使贴片腔内边界条件依然保持对称。同时，由于探针馈入点位于贴片中轴上，从图3中中心馈电场分布图可知，正好位于场值的零点上，且左右两侧电场幅值相等，相位相反，分布相同，因此可以减小探针从口径激励起的场中耦合能量，即减小|S 21|，提高
了端口隔离度。
G a i n  / d B
Theta / Degree
G a i n  / d B
Theta / Degree
图3 中心馈电/偏置馈电的口径耦合电场分布/交叉极化电平比较图
3．天线结构与设计结果
基于上节的分析，得出天线结构示意图如图4所示。图中只画了探针馈电的剖面图，虚线部分为耦合槽。探针由馈电网络相连，形成精确的等幅反相馈电，经并联后由阻抗变换线实现匹配。中心馈电的口径耦合其槽耦合效率较偏置的口径耦合要高，再加上采用“工”字型耦合槽可以增大耦合量，将更多的能量耦合至贴片，减小背向辐射，改善单元的前后比。
图4 天线结构示意图
G a i n  / d B
Theta / Degree
G a i n  / d B
Theta / Degree
(a) 5.3GHz
(b) 5.8GHz
图5 天线单元二主面方向图及其交叉极化电平
S 11 & S 21 / d B
Frequency / GHz
图6 天线辐射单元S 参数
图5和图6为阻抗匹配后的交叉极化特性，反射损失和隔离度曲线。探针平衡馈电端口的10dB 反射损
失带宽为840MHz (5.01GHz-5.85GHz)，口径耦合端口为850MHz (5.09GHz-5.94GHz)，整个频段内端口隔离度在43dB 以下，天线的主瓣内交叉极化在整个频带内达到-37dB 以下，在中心频率点5.3GHz 时做到-40dB 以下。整个频段内主极化增益保持在9dB 以上，同时前后比保持在20dB 以上。上述结果均应用商用软件Ansoft HFSS 10.0来得出，文献[8]中仿真与实测曲线的比较已验证了应用该软件仿真的可信性。
4．结论
本文通过应用对称的方法以及合理安排馈电点位置等手段，设计了一幅C 波段低交叉极化，高端口隔离度的双极化天线单元。在整个频段内实现了-37dB 以下的交叉极化电平和-43dB 以下的端口隔离度。该天线结构紧凑、频带宽，很适合于做双极化相控阵雷达、合成口径雷达天线的阵列单元。
参考文献
[1]Kim Woelders, Johan Granholm “Cross-Polarization and Sidelobe Suppression in Dual Linear Polarization Antenna Arrays”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 45(12),1997：1727-1740
[2]梁仙灵，钟顺时，汪伟， “双极化微带线阵的交叉极化抑制”，微波学报，21(1), 2005.02: 22-25
[3]梁仙灵，钟顺时，汪伟， “高隔离度双极化微带天线直线阵的设计”，电子学报，33(3), 2005.03: 553-555 [4] J. Granholm, Kim Woelders, “Dual Polarization Stacked Microstrip Patch  Antenna Array With Very Low
Cross-Polarization”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 49(10),2001：1393-1402
[5]S.C Gao, et al “Dual-Polarized Slot-Coupled Planar Antenna With Wide Bandwidth”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,51(3),2003：441-448
[6]K.L Wong et al. “Broadband Dual-Polarized Aperture-Coupled Patch Antennas With Modified H-Shaped Coupling Slots”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 50(2), 2002：188-191
[7]T.W Chiou, K.L. Wong. “Broad-Band Dual-Polarized Single Microstrip Patch Antenna With High Isolation and Low Cross Polarization”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 50(3),2002：399-401
[8]X. Qu, S.-S. Zhong and Y.-M. Zhang, “Dual-Band Dual-Polarised Microstrip Array for SAR Applications”, Electronics Letters, 42(24),2006:1376-1377
A Design of C Band Dual-polarized Microstrip Antenna with
Low Cross-polarization and High Isolation
Sun Zhu, Zhong Shunshi, Tang Xiaorong
School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai (200072)
Abstract
A hybrid-fed dual-polarized stacked patch element with low cross-polarization and high port isolation is introduced. The proposed antenna element achieves a 10d
B bandwidth of 840MHz (about 15.6%) in
C band with its cross-polarization less than -37dB in both two orthogonal ports and isolation between these two ports less than -43dB in the whole bandwidth. Its gain is stabled on about 9dB in the whole bandwidth with its front-back ratio over 20dB. Another more, an obvious merit is that the proposed antenna has a compact structure, thus makes it easy to extend to form a large array and excellently meet the need of phased radar and SAR application.
Keywords: Microstrip antenna; Dual-polarized; High isolation; SAR antenna

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