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摘要：本文提出了一种用于星载轻小型高分辨SAR的轻量化二维扫描相控阵天线，重点设计了平面阵列共馈天线单元。该天线基于堆叠元件结构，在两个TLY-5基板间夹有Rohacell材料，适用于小型卫星平台的X波段SAR。Rohacell结构层的加入拓宽了传统微带贴片天线的阻抗带宽，且天线具有高效率、轻重量的特点。然而，全阵列的共馈结构导致寄生辐射增加天线旁瓣电平。为此，采用悬浮微带板结构抑制漏波辐射，使旁瓣电平降低到可接受范围。天线阵面有效尺寸满足系统要求，通过模块化设计实现两维扫描能力。测试结果表明，该天线在阻抗带宽、增益、旁瓣电平、辐射效率等方面性能良好，实验结果与预测结果吻合。

关键词：星载SAR、阵列天线、轻量化、宽带、低旁瓣电平

0 引言

合成孔径雷达（SAR）是一种高分辨率成像雷达技术，通过发射宽带信号，结合合成孔径技术，SAR能在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像，能够在暗夜、云雾遮挡、雨雪等条件下获取类似光学成像的高分辨率雷达图像，其最大特点就是波长极高，穿透力极强。星载SAR具有高分辨率、全天时、全天候对地观测能力，是人类获取地物信息的一种重要技术手段，已被广泛应用于军事和民生领域，是实现空间军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的重要技术手段。

天线是决定星载SAR系统整体性能的最重要组件，因此SAR系统对天线性能提出了很高的要求。

由于卫星平台在发射时有严格的体积、重量限制，天线必须具有较轻重量，能在发射时先进行收拢，待发射到位后再进行展开，同时空间环境在温度、辐照、重力特点以及实现技术保障方面与地面存在很大区别。

1 轻小型高分辨SAR载荷天线总体设计

轻小型高分辨SAR载荷中SAR天线有如下功能：

①采用固态有源相控阵技术实现二维相扫；

②通过馈电网络可形成收/发共用波束；

③SAR阵面具有内校正网络，可以协作实现在轨内定标；

④SAR阵面激励器接收控制指令，分别对天线进行幅度、相位、延时的计算与控制，最终实现波束形成、扫描和控制；

工作模式有以下三种：

（1）发射模式

发射模式时，发射阵饱和发射工作，以实现最大功率辐射，同时可根据系统需求完成不同波束方向的功率辐射。

（2）接收模式

接收模式时，在辐射方向上，接收阵等幅同相工作，实现最大功率接收，同时可根据系统需求完成不同波束方向的回波接收。

（3）内定标模式

a. 对接收、发射单个通道逐一测定，实现所有收、发通道的幅相校正；

b. 对发射全阵、接收全阵定标，实现整个收、发链路增益定标。

轻小型SAR天线主要包括：天线阵面、四通道T/R组件、小位延时组件、大位延时组件、双向放大器、二次电源与激励器模块、有源安装板（含热管）、阵面框架、阵面热控以及各部组件支架的电缆组件等。

轻小型SAR天线阵面总体设计主要包括阵面有效尺寸、扫描能力以及阵面划分等设计，具体如下：

（1）阵面有效尺寸

根据系统对SAR天线的要求，要求SAR天线中心频率为9.6GHz，带宽600MHz；中心频点波束宽度要求：方位向：0.4°，距离向：2.1°。

考虑到阵面各通道的幅相不一致性，阵面有效尺寸按方位向：0.4°，距离向：2.1°波束宽度要求进行设计，可从上述分配给SAR天线阵面指标的需求得知：

式中，Daz代表天线方位向的口径尺寸，Del代表天线距离向的口径尺寸。

从上述计算过程中，天线方位向口径尺寸的取值范围为3984.38mm～4687.5mm，天线距离向口径尺寸的取值范围为548.93mm～758.93mm。

本方案中天线方位向有效长度取4452mm、距离向有效长度取552mm（对应天线方位向波束宽度0.34°、距离向波束宽度2.25°），其设计指标满足设计要求。

（2）扫描能力

根据系统对SAR天线的扫描能力的特殊要求：方位向±0.34°，距离向±2.25°，拟在方位向和距离向每单元采用T/R组件独立馈电，实现两维扫描能力。

辐射单元肩并肩紧挨着布置，以保证单元均匀排布；在方位向满足±8°扫描，单元间距由下式估算得到：

在方位向满足±20°扫描，单元间距由下式估算得到：

考虑到波束宽度的修正和设计余量，单元方位向间距取24mm，距离向间距取22mm。

采用相控阵天线带来空间合成功率大、馈电损耗小、波束灵活可控的优点，但同时由于相控阵天线波束指向不连续，必须要考虑相邻波束指向之间的跃度问题。

减小波束跃度比较普遍的方法是采用虚位技术。该方法是利用虚位计算的方法来减小波束跃度，其所能虚位计算的位数与阵列中单元数量有关。本方案T/R组件采用6位移相器（即k1=6），虚位技术的最大虚位位数为：k2＜log2（N-1）；

采用虚位技术后相控阵天线可实现的最小波束跃度为

1）对于距离向，N=32，d=22mm，扫描角θ为20°，计算可得距离向扫描步进不小于0.0015°，满足系统指标要求。

2）对于方位向，N=192，d=24mm，扫描角θ为8°，计算可得方位向扫描步进不小于0.00018°，满足系统指标要求。

（3）阵面划分

整个天线阵面设计有效尺寸约为4452mm×552mm，每个微带贴片作为一个天线单元，其设计尺寸为24mm（方位向）×22mm（距离向），单元排布为32（方位向）×192（距离向），共6144个单元。

天线阵面采用模块化设计，天线沿方位向划分成4个页面，全阵共划分为4×1个页面。每个页面内部分为3×2个微带子阵列模块，即全阵共12×2个微带子阵列模块，每个模块尺寸为371mm×276mm。全阵尺寸为4452mm×554mm。

全阵、页面、模块构型如下图3所示。

SAR天线阵面由4个天线板组成，每块天线板有2*3个模块，每个模块有4*4个天线子阵，每个子阵有4*4个辐射单元（TR通道）。整个阵面供6144个辐射单元，对应6144个TR通道，每个子阵对应一个延时通道，整阵共384个延时通道。

2 阵列天线单元设计

本文重点对天线子阵模块的阵列天线单元进行设计和验证。一般来说，针对小型卫星上的合成孔径雷达（SAR）天线面板的设计理念是高效率、高增益、宽带操作、低旁瓣电平[1]和轻量化。由于微带贴片天线（MPAs）具有尺寸紧凑、重量轻、外形低、成本低、易于制造以及与前端射频（RF）电路集成能力强等优点[2]，它们被广泛应用于现代民用SAR系统的开发中。然而，MPAs本身是窄带的，增益和效率相对较低。出于这个原因，在[3]中已经针对辐射元件研究并报道了各种技术，以实现与带宽、效率和增益相关的高性能SAR天线。在馈电结构方面，由于具有宽带操作、设计灵活以及易于垂直集成以形成二维阵列的优点，微带阵列中采用了几个并行馈电或共馈电的例子作为激励网络[4]。共馈网络（CFN）仅仅是多端口微带结（通常称为功率分配器）的组合，例如T型和交叉型功率分配器。这些微带结与均匀的微带线相连，从理论上讲，这些微带线被假定为无损耗传输线[5]。然而，带有CFN的微带阵列经常会出现辐射效率低和旁瓣电平（SLLs）高的情况。这可以归因于CFN的微带结产生的强烈漏波和表面波辐射，在某种程度上也归因于介质基板，这些因素会严重影响SAR系统的性能，导致效率降低，甚至可能导致任务失败。

天线子阵模块的阵列天线单元是一个多层的12×16阵列结构，构建在两个由Taconic射频材料公司的TLY-5制成的介质基板上（即基板1和基板2，εr=2.2，tanδ=0.0009），中间夹有相对较厚的Rohacell材料（εr=1.07，tanδ=0.0017）。两个基板的厚度为hsub1=hsub2=0.508mm。天线包含三个铜层（即顶层M1、中间层M2和底层M3）。在结构设计中，中间层M2构成了共馈方形微带贴片，由于其结构简单且性能良好而被采用，它们位于下基板的上表面（如图4所示）。这些是有源贴片，通过Rohacell材料将电磁功率耦合到顶层M1，顶层M1由寄生方形贴片和上基板（即基板1）背面的悬浮微带板结构组成。底层的铜覆层M3用作接地平面。

从图4所示的拟议阵列天线的配置可以看出，粘合剂薄膜用作粘合剂，将两个TLY-5介质基板粘合到Rohacell材料上。通过这种配置，该阵列天线实现了比许多具有堆叠拓扑结构的现有SAR应用平面阵列天线更高的增益、效率和宽带性能。同时，由于Rohacell泡沫层的轻质特性，天线的重量保持在最小。设计中采用了悬浮微带板结构，以抑制来自中央最大功率分配器的漏波引起的任何寄生辐射，那里集中了大部分高幅度信号。

图5中三种不同类型的辐射元件描绘了所提出案例的演变过程，它始于A型微带天线，该天线由一个方形贴片组成，该贴片由印刷在介质基板上的馈电线直接馈电，并带有背接接地平面。根据图6a中的模拟结果，对于-10dB|S11|频段，实现了相对较窄的带宽（即在9.65GHz时约为300MHz）。在图6b中，这种传统的A型天线的增益约为6dBi。然而，基于使用公式（1）对整个天线系统进行的几何和斜距分辨率（Pr）分析，A型的固有谐振行为不一定满足高分辨率SAR的天线要求[6]。

其中c表示光速，B是系统带宽。因此，一个要求分辨率优于0.2米的SAR系统应该具有超过 1GHz 的带宽。

为了增加A型天线的阻抗带宽和方向性，一个寄生贴片被安装在超strate层的底部，其谐振频率接近 A型的谐振频率，并靠近A型放置，以产生B型天线（如图5所示）。因此，B型天线成为一种寄生耦合堆叠配置，两个贴片之间有一个气隙，从而导致比A型更好的带宽（如图6a所示）。此外，在9.1-10.4GHz的频段内可以观察到更高的增益（如图6b中B型所示）。因此，通过调整两个贴片之间的气隙宽度g，寄生贴片将有源贴片的辐射引导向视轴方向，以最大限度地提高天线的方向性（如图6c 所示）。当g的值约为2.54mm时，可获得约8dBi的增益曲线。然而，由于将B型的超strate层悬浮在空气中是不切实际的，设计的最简单方法是在两个基板之间夹入Rohacell结构泡沫，并用粘合剂薄膜将它们粘合在一起，以实现图5中提出的辐射元件。选择Rohacell材料是因为其切线损耗低，为0.0017，并且由于其介电常数与空气相似，所以重量轻。因此，本方案设计的辐射元件表现出与B型相似的带宽性能，如图6a、b 所示（即 - 10dB |S11 | 带宽为 1.3GHz）。再次从图6d可以观察到，B型和本方案的元件天线都具有相似的增益性能。此外，与A型相比，B型和本方案的天线都具有更宽的增益带宽。

2.1 天线阵列设计

为了满足SAR天线规格要求的371mm×276mm的尺寸，基于所提出的辐射元件设计了一个共馈的 12×16平面阵列。图7展示了所提出天线的布置。

如图7a所示，天线有两个基本子阵列1×2和2×1，用于构建几个3×2子阵列。3×2子阵列进一步用于构建3×4子阵列，随后这些子阵列被用于开发6×8子阵列。总之，四个6×8子阵列以顺序旋转方案排列，以实现一个矩形辐射孔径，容纳完整的12×16阵列，馈电网络的馈电点位于中心。

印制在下TLY-5基板上表面的有源贴片，其元件间间距为0.59λ0。因此，在XOZ平面（仰角平面）中，相邻辐射元件之间的中心到中心距离为18.34mm，其中λ0表示对应中心工作频率的波长。然而，为了给馈电网络腾出空间，两个中间行相距0.87λ0=27.05mm。在YOZ平面（方位角平面）中，贴片的中心到中心间距为0.62λ0=19.27mm，如图7a所示。

如图7b所示，上基板背面的寄生贴片之间在XOZ平面上的元素间距为18.34mm。同时，它们在YOZ平面上的距离为19.27mm。XOZ平面上两个中间行的寄生贴片之间的间距为27.05mm，以使它们与相应的有源贴片对齐。为了确保所提出的阵列天线达到所需的低于-13dB的旁瓣电平（SLLs），单个辐射元件应输出相等的输入功率。因此，该天线是一个均匀阵列，具有相同的有源和寄生贴片，其谐振长度分别为Pl1=10.23mm和Pl2=10.4mm，没有孔径渐变。参考图8，随着阵列尺寸在两个主平面上向最大阵列尺寸增加，旁瓣幅度显著增加。因此，整个天线阵列产生的SLLs超过了所需的-13dB阈值。这种现象主要归因于CFN功率分配器的漏波发射，特别是最接近输入信号幅度较高的馈电点的那些。

2.2馈电网络设计

为了克服全阵列天线的旁瓣问题，设计了一个带有悬浮微带板的不对称共馈网络，如图9所示。共馈网络是通过等功率和不等功率T型结功率分配器、180°延迟线、四分之一波长变换器和简单微带线的组合来实现的。共馈结构被设计为对阵列的所有元件产生等幅度的激励。180°延迟线用于激励仰角平面中相邻的贴片，这些贴片在几何上相差180°，幅度相等但相位相差180°，以抵消几何相位差并确保波束建设性地组合。所开发的馈电阵列在其中点通过同轴探针馈电，以匹配50Ω的输入阻抗。应该提到的是，为了使SMA连接器的焊接成为可能，在天线的基板上钻了一个孔。实际上，正如预期的那样，共馈结构也有助于天线工作带宽的宽带化。

图10a显示了馈电网络的电流分布仿真结果。它表明输入信号的较高幅度主要位于馈电网络中心的第一个T型结功率分配器周围。因此，如图7b所示，该T型结的P1和P2输出幅度约为-3.5dB，这意味着产生了0.5dB的损耗。这种损耗主要是由于T型结引起的漏波激励，因为在网络的这一点上传输线损耗可以忽略不计。因此，可以推测，与其他T型结功率分配器相比，第一个T型结功率分配器的漏波对寄生辐射的贡献更大，而寄生辐射往往会显著增加天线的旁瓣电平。如图10b所示，P3-P5的输出幅度分别约为-6.6、-6.7和-25dB。

为了减轻泄漏波辐射的影响，必须抑制T型结功率分配器的寄生辐射，尤其是最靠近馈电点的那个。因此，设计了一个悬浮微带板结构（见图7b和图9）并将其纳入天线几何结构中。它位于上TLY-5基板（即第一层M1）的背面，但正好在馈电网络中信号幅度较高的最中心区域的正上方。随着悬浮微带板的集成，来自馈电网络第一个功率分配器的漏波寄生耦合到微带板结构而不会辐射出去。

为了验证这种降低旁瓣电平的设计技术的实用性，在图11a中绘制了馈电网络仿真的二维辐射幅度。可以注意到，当实施微带板结构时，馈电结构的辐射幅度大幅降低。因此，旁瓣电平大幅从-12.4dB降低到-15dB，特别是在XOZ平面（如图11b所示），以满足SAR天线要求。

2.3测试验证

对平面阵列天线样机进行测试，在9.3GHz、9.65GHz和9.9GHz频点，XOZ平面和YOZ平面的测量和模拟辐射方向图分别如图12a-g所示，而在这些频率点处测量的XOZ平面（仰角）半功率波束宽度（HPBW）分别为6.0°、5.8°和5.7°。在这三个频率点处测量的YOZ平面（方位角）HPBW分别为4.3°、4.2°和4.1°。实验结果和预测结果吻合良好。在这三个频率点处，均匀阵列的旁瓣电平（SLL）低于-13dB。根据阵列天线的增益和方向性，估计总天线效率高于51.34%。

图13a中所示的 | S11 | 的测试结果显示测量得到的阻抗带宽为 1.19GHz（即 12.39%，9.01 - 10.20GHz，|S11|<-10dB），而且这一结果优于仿真结果（8.47%，9.39 - 10.22GHz）。如图13b 所示，在 9.65GHz 处测量得到的峰值增益为 28.67dBi。测量增益和模拟增益之间的差异主要是由于较小的制造误差和测量误差。应该注意的是，模拟和测量的阻抗带宽之间有很好的相关性。然而，谐振峰值点的偏移可能是由于测量过程中的连接器损耗、天线结构中各层的未对准以及各层之间可能存在的气隙导致的。该天线在 9.5 - 10GHz（感兴趣的频段）的辐射效率高于 80%。

3 结语

在本文中，提出了一种用于星载轻小型高分辨SAR的轻量化二维扫描相控阵天线。并重点设计了其中12×16平面阵列共馈天线单元。该天线基于一种堆叠元件结构，在两个TLY-5基板之间夹有Rohacell材料。由于其结构简单、效率高、带宽宽且重量轻，适用于小型卫星平台上的X波段SAR。将Rohacell结构层纳入天线设计有助于拓宽传统微带贴片天线（MPA）的阻抗带宽。同时，由于所用Rohacell材料的切线损耗低且介电常数接近空气，所提出的天线分别具有高效率和轻重量的特点。然而，由于全阵列的共馈结构，寄生辐射（由于馈电网络的功率分配器的漏波辐射引起）往往会增加天线的旁瓣电平（SLL）。因此，采用了一种悬浮微带板结构来抑制漏波辐射，将旁瓣电平降低到开发SAR天线可接受的范围内。

参考文献

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[4] Kumar G， Ray K P. Broadband Microstrip Antennas [M]. 美国马萨诸塞州诺伍德：Artech House，2002：ISBN 9781580531641.

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