一种星载SAR双极化微带辐射子阵天线的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种星载sar天线及其制造方法。

背景技术：

基于星载平台的合成孔径雷达(sar)探测已成为军事侦察、国土测绘、抗震救灾的重要手段，与光学雷达相比，sar具有全天候全天时的优势。随着应用需求的不断发展，sar需要具备收集多极化信息的能力变得更加紧迫，而sar天线是收集极化信息的射频前端系统，具有重要的作用。辐射子阵是常规sar天线基本单元，它的性能直接决定了sar系统的成像质量。常规辐射子阵常采用波导辐射子阵和微带辐射子阵两种形式，相对波导形式，微带天线具有低剖面和轻量化的特点，特别在低频l、s波段，其重量优势明显。

国内外关于双极化微带天线的设计和研究较多，其理论比较成熟，从单元选用、线阵和面阵设计、低交叉极化等方面都详细研究和分析，设计了一种1乘以8单元双缝耦合馈电形式、两种1乘以16单元混合馈电形式的三种双极化微带子阵，这三种形式的辐射子阵的激励馈线均采用了微带线形式，其厚度较大，射频接口设计复杂，不适合大批量工程化应用，并且两个极化之间的馈线没有采用相应的隔离措施，馈线存在自身辐射效应，导致单个辐射子阵的交叉极化和隔离度并没有达到最优的设计，辐射子阵的设计均采用了泡沫作为微带天线各层之间的支撑材料，但泡沫材料的加工特性差，对高功率、强空间辐射的宇航应用环境的适应性较差，因此关于星载双极化微带天线的设计研究对于工程化应用还具有一定的差距。

目前在轨运行的sar采用微带辐射子阵的卫星分别为意大利研制的cosmo卫星和日本研制的alos卫星，但关于其辐射子阵的资料较少，具体的工程设计和制备方案无从查证，已授权的关于微带贴片天线实用新型专利，用于通信应用领域的一种单极化天线，其重点在于天线设计本身，对性能和实现的权利要求较少。

双极化微带辐射子阵由多个双极化辐射单元、单元间的馈电网络和相应的多层介质材料构成，双极化微带单元可以采用边缘馈电、探针馈电、耦合馈电以及综合馈电多种形式来实现，为实现辐射子阵实现较高的隔离度和交叉极化，一般在单元排布和馈电耦合抑制方面采取一定的措施。

随着卫星对载荷重量苛刻的要求，辐射子阵轻型化设计变的更加重要，在子阵架构设计方面也要对现有形式进行改进。同样为满足星载空间环境适应性，提升辐射子阵在轨的可靠性，辐射子阵的机热、抗辐照设计也很重要，在相应材料、加工方案的选择方面也需慎重设计。针对多信息量星载sar成像系统对天线极化需求，采用合理化的单元布局组合，利用金属化通孔隔离子阵两个极化能量之间的互耦问题，解决星载有源相控阵辐射子阵交叉极化差、端口隔离差的缺点，同时充分考虑辐射子阵的空间环境适应性和可靠性，充分重视材料选择处理，加工选择、结构设计布局等方面，使得辐射子阵具有大规模工程化应用的优点，根据这些应用背景信息，需要新一代天线的重要改造设计。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种星载sar双极化微带辐射子阵天线，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

本天线包括结构支撑层、辐射层、馈电耦合层、结构安装板、射频连接器，各层均为平面层压结构，经过层层叠压形成整体。

辐射层分为主辐射层和寄生辐射层，结构相似，包括金属辐射贴片和微波软基板，采用印制板蚀刻技术，将两面覆铜的微波软基材料的一面蚀刻成金属辐射贴片，另一面覆铜全部蚀刻去除，制成微波软基板一面覆盖金属辐射贴片一面无覆铜的整体。

金属辐射贴片由数个正方形贴片单元一字排列而成，在谐振状态辐射或吸收对应带宽的微波信号，主辐射层和寄生辐射层的金属辐射贴片的尺寸和间距不同。

馈电耦合层包括馈线层、胶模、两层耦合层、两层微波软基板、金属化孔，每层微波软基板的一面各覆盖一层耦合层，无耦合层的一面相对，馈线层和胶模贴合，夹在两层微波软基板之间。

耦合层包括接地层和耦合缝隙，接地层覆盖两种极化形式的耦合缝隙和金属化孔，耦合缝隙由数对极化缝隙组合一字排列而成，金属化孔以一定孔径、间距、形状分布，连接两层接地层。

极化缝隙组合由水平极化缝隙和垂直极化缝隙t型排列而成，水平极化缝隙为工字型，垂直极化缝隙为h型。

馈线层包括两种形式的馈线和激励线，分为水平极化馈线、水平极化激励线、垂直极化馈线、垂直极化激励线，构成带状线形式的功分合成馈线，完成射频能量的分配与合成。

水平极化激励线的数量和位置，与水平极化缝隙对应，垂直极化激励线的数量和位置，与垂直极化缝隙对应。

水平极化激励线为一字型，水平极化馈线和水平极化激励线的一端连接，垂直极化激励线为t型，垂直极化馈线和垂直极化激励线的底部连接。

水平极化馈线和垂直极化馈线，各自沿一字型镜面对称，连接相邻水平极化激励线的水平极化馈线具有90°相位差。

水平极化馈线为1分n功分网络，n的数值对应水平极化激励线的数量，垂直极化馈线为1分n功分网络，n的数值对应垂直极化激励线的数量。

结构支撑层分为第一结构支撑层和第二结构支撑层，结构相同，包括蜂窝层和两层胶膜，蜂窝层的两面各覆盖一层胶膜，蜂窝层的侧壁有小孔，用于气体在真空环境下的的释放。

结构安装板包括蜂窝层、两层碳纤维板、两层胶膜，蜂窝层的侧壁有小孔，每层碳纤维板的一面各覆盖一层胶膜，有胶膜的一面相对，蜂窝层夹在两层碳纤维板之间。

第一结构支撑层夹在主辐射层和寄生辐射层之间，第二结构支撑层夹在主辐射层和馈电耦合层之间，馈电耦合层和结构安装板贴合。

采用热真空胶结技术将胶膜融化和固化，寄生辐射层和主辐射层胶结在第一结构支撑层的两面，馈电耦合层和主辐射层胶结在第二结构支撑层的两面，两层碳纤维板胶结在蜂窝层的两面。

射频连接器包括内导体、介质导体、外壳、法兰盘、螺栓、垫片，外壳包裹介质导体，介质导体包裹内导体，外壳垂直固定于法兰盘，法兰盘开有安装孔，螺栓穿过垫片插入安装孔，垂直连接于法兰盘，射频连接器和馈电耦合层连接。

在结构安装板的蜂窝层和靠近馈线层的一层碳纤维板开孔，孔径大于法兰盘，在馈线层开孔，孔径大于内导体，在远离结构安装板的耦合层和微波软基板开孔，孔径约为内导体五倍，在第二结构支撑层的蜂窝层开孔，孔径大于射频连接器，容纳螺栓凸出部分。

内导体垂直穿过馈电耦合层，和水平极化激励线或垂直极化激励线连接，法兰盘和结构安装板靠近馈电耦合层的胶膜贴合，螺栓从馈电耦合层远离法兰盘的一面穿过，垫片和馈电耦合层远离法兰盘的一面贴合，防止螺栓集中受力在耦合层。

本发明具有低剖面轻量化架构、低交叉极化和高隔离度的优点；采用了双层矩形单元、双h形状t形布局的缝隙，结合带状线激励的方式，实现了低剖面双极化辐射微波能量的天线形式；采用上下地层之间的金属化孔隔离两个极化激励线的能量，使得两个极化的微波能量得到较好的隔离，从而保证了两极化方向图有较好的交叉极化性能；采用合理排布金属化孔，隔离了两个极化馈线之间的互耦合，从而保证辐射子阵具有较好的极化端口隔离度；采用了六面蜂窝结构的支撑体，且每个蜂窝面开有通孔，利于制造和空间环境下的释气，避免了辐射子阵真空爆破；采用热膨胀系数最小的材料，且不同材料的膨胀系数相近，即保证了在真空热环境下本发明的辐射子阵具有较小的形变，也能保证不同材料形变的一致性，避免材料不同形变导致的脱层问题；采用了大量的胶结方案，根据不同层采用的不同材料的特性；采用了可靠的工艺制备流程，从而保证了本发明辐射子阵的结构工装的可靠性。

附图说明

图1为本发明应用在雷达系统的的结构原理图，图2为本发明的分层结构图，图3为本发明的分层侧视图，图4为本发明的俯视图，图5为金属辐射单元俯视图，图6为寄生辐射层俯视图，图7为主辐射层俯视图，图8为耦合层俯视图，图9为馈线层俯视图，图10为极化馈线图，图11金属化孔结构图，图12为蜂窝层结构图，图13为结构安装板结构图，图14为射频连接器安装结构图，图15为制作流程，图16为耦合层的电流分布图，图17为水平极化距离方向图，图18为水平极化方位方向图，图19为垂直极化距离方向图，图20为垂直极化方位方向图，图21为极化隔离度，图22为驻波曲线。

图中标记为：1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线，1b-双极化tr组件，1c-合成网络，1d-接收机，1-寄生辐射层，2-第一结构支撑层，3-主辐射层，4-第二结构支撑层，5-馈电耦合层，6-结构安装板，7-极化射频端口，11-寄生金属贴片，12-微波软基板，31-主金属贴片，32-微波软基板，j1-胶膜，j2-胶模，j3-胶膜，51-耦合层，52-微波软基板，53-馈线层，54-微波软基板，55-接地层，56-金属化孔，57-金属化孔，61-碳纤维板，62-蜂窝板，63-碳纤维板，510-水平极化耦合缝，511-垂直极化耦合缝，512-接地层，561-接地层，513-圆孔，531-水平极化激励线，532-垂直极化激励线，533-水平极化馈线，533a-水平极化馈线，533d-水平极化馈线，533e-水平极化馈线，533f-水平极化馈线，534-垂直极化馈线，534e-垂直极化馈线，20-六边形蜂窝孔，710-内导体，711-介质导体，712-外壳，713-法兰盘，72-焊点，73-螺栓，74-垫片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。

本发明在雷达系统的应用原理如图1所示，安装于相控阵天线系统的最前端，常由多个1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线构成一个完整的相控阵天线阵面的辐射面，用于接收两个极化的雷达反射波信号或发射两个极化的微波信号，1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线的两个极化射频端口与一个1b-双极化tr组件连接。

当天线系统工作在发射态时，1d-接收机输出两路极化的线性调频源信号，线性调频源信号经1c-合成网络分配至1b-双极化tr组件放大后，输出至1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线，1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线将放大后的双极化线性调频源信号辐射至目标方向。

当天线系统工作在接收态时，1a-星载sar双极化微带辐射子阵天线接收两个极化的雷达反射波信号，送至1b-双极化tr组件，1b-双极化tr组件将接收到的雷达回波信号进行低噪声放大，经1c-合成网络合成后，送至1d-接收机处理。

本发明的分层结构如图2所示，由多个贴片层和两个7-极化射频端口构成，从上至下的贴片层分别为1-寄生辐射层，2-第一结构支撑层，3-主辐射层，4-第二结构支撑层，5-馈电耦合层，6-结构安装板，7-极化射频端口用于安装射频连接器。

具体分层如图3所示，1-寄生辐射层由11-寄生金属贴片和12-微波软基板构成，2-第一结构支撑层用于支撑1-寄生辐射层，3-主辐射层由31-主金属贴片和32-微波软基板构成，通过先加热再低温j1-胶膜，将2-第一结构支撑层和1-寄生辐射层固化在一起，将4-第二结构支撑层和3-主辐射层固化在一起。5-馈电耦合层由53-馈线层、j2-胶模、51-耦合层、55-接地层、52-微波软基板、54-微波软基板构成，通过j2-胶模将两层微波板52-微波软基板、54-微波软基板固化连接成整体。6-结构安装板作为结构力学承受件，由两层61-碳纤维板和63-碳纤维板、62-蜂窝板构成，采用高温通过两层j3-胶膜将碳纤维板和蜂窝板固化连接。通过低温胶将前述若干层贴片单元固化在结构安装板上，6-结构安装板上有结构接口，用于在相控阵天线阵面上固定本天线。

器件分布的垂直投影如图4所示，由四个双极化微带贴片单元和两个极化的1分4功分网络以及两个极化的射频连接器组成。

双极化微带贴片单元作为金属辐射单元，具有接收和发射双极化信号能量的能力，如图5所示，11-寄生金属贴片和31-主金属贴片采用正方形，通过对覆铜微波软基板采用蚀刻工艺而成，当贴片处于谐振状态时，将一定带宽的微波信号辐射或接收，双层贴片的天线单元具有较宽的工作带宽。

为降低510-水平极化耦合缝和511-垂直极化耦合缝之间的互相影响，510-水平极化耦合缝和511-垂直极化耦合缝沿y轴呈t型布局，距离单元中心的距离分别为dh和dv。531-水平极化激励线与510-水平极化耦合缝低阻抗耦合水平极化信号，532-垂直极化激励线与511-垂直极化耦合缝低阻抗耦合垂直极化信号，两激励线与相应的50ω的533e-馈线、534e-馈线阻抗匹配。

在5-馈电耦合层的51-耦合层和55-接地层之间，围绕耦合缝和激励线排布56-金属化孔，用于降低两个极化信号之间的耦合信号，提高两极化隔离度和交叉极化电平。

寄生辐射层如图6所示，11-寄生金属贴片为正方形，宽度和长度尺寸均为a1，共有四个沿x向排布，相互间的间距为dx，12-微波软基板为介电常数2.92、长度l、宽度w、厚度h1的双面覆铜板，采用印制板蚀刻工艺制成四个11-寄生金属贴片。

主辐射层如图7所示，31-主金属贴片为正方形，宽度和长度尺寸均为a2，共有四个沿x向排布，相互间的间距小于dx，32-微波软基板为介电常数2.92、长度l、宽度w、厚度h2的双面覆铜板，采用印制板蚀刻工艺制成四个31-主金属贴片。

耦合层如图8所示，共有四对510-水平极化耦合缝和511-垂直极化耦合缝的组合，每对缝隙均蚀刻在512-接地层上，每对缝隙x向水平布局，间距为dx，510-水平极化耦合缝由两条长hl1宽hw1和一条长hl1宽hw2的三条缝隙呈工字型构成，511-垂直极化耦合缝由两条长vl1宽vw1和一条长vl1宽vw2的三条缝隙呈h型构成，缝隙具有宽带特性，同时510-水平极化耦合缝和511-垂直极化耦合缝沿y向呈t型布局，降低两缝之间的交叉极化分量，提升交叉极化性能，两对513-圆孔用于安装射频连接器。

馈线层如图9所示，533-水平极化馈线和534-水平极化馈线均为1分4功分网络，与531-水平极化激励线和532-垂直极化激励线共面，采用带状线设计方案，在覆铜微波板通过蚀刻制作而成。

水平极化功分网络和垂直极化功分网络如图10所示，均为1分4功分网络设计，533a-水平极化馈线、533e-水平极化馈线、533f-水平极化馈线均为50ω端口设计，533a-水平极化馈线为水平极化总口馈线，与水平极化射频连接器的710-内导体相连接，533e-水平极化馈线和533d-水平极化馈线与531-水平极化激励线相连接，由于两个辐射单元水平极化激励线镜像对称激励耦合缝，533e-水平极化馈线和533f-水平极化馈线具有90°相位差，垂直极化功分网络的四个分端口均为等幅同相设计，总口和分端口均按50ω阻抗匹配设计。

金属化孔的结构如图11所示，57-金属化孔位于5-馈电耦合层，用于电气连接512-接地层和561-接地层，在馈线侧边打57-金属化孔，金属化通孔的直约为0.01～0.02波长，间距约为0.1～0.15波长，较好的隔离533-水平极化馈线和534-水平极化馈线之间的互耦影响，设计时，金属化通孔距离馈线、激励线和耦合缝的间距约为2倍馈线或耦合缝的宽度，减少两个极化的耦合缝和激励线之间的互耦合影响。

选用介电常数2.92、长度l、宽度w、厚度h3的双面覆铜板作为52-微波软基板和54-微波软基板，通过蚀刻工艺制成51-耦合层、53-馈线层、55-接地层，采用印制板层压工艺将各层压制成型，采用印制板层孔工艺在52-微波软基板和54-微波软基板制作出56-金属化孔和57-金属化孔，连接51-耦合层、512-接地层、55-接地层，隔离两个极化之间的能量，提升两极化端口间的隔离度。

蜂窝层的结构如图12所示，为纸质蜂窝结构，由多个20-六边形蜂窝孔连接而成，每个20-六边形蜂窝孔的六个侧边均开有圆孔，保证天线在真空环境下逐渐漏气，防止出现天线在外太空高温真空环境下发生鼓包分层问题，2-第一结构支撑层的长宽高尺寸分别为为l、w、fh1，4-第二结构支撑层的长宽高尺寸为l、w、fh2，纸蜂窝的介电常数均为1.04，损耗与空气相当。

结构安装板的结构如图13所示，通过两层通过高温热真空层压工艺，采用j3-胶膜，将61-碳纤维板和63-碳纤维板分别胶结在62-蜂窝层的两面，固化成一体，为减少辐射子阵不同材料热变形，碳纤维板均采用低膨胀系数碳纤维丝编织而成，厚度为th1和th2，纸蜂窝板的厚度为fh3。

射频连接器的安装如图14所示，7-射频连接器由710-内导体、711-介质导体、712-外壳、713-法兰盘构成，在713-法兰盘开孔，采用73-螺栓固定，为便于安装，在6-结构安装板的63-碳纤维板和62-蜂窝层开孔，直径为fd1大于713-法兰盘的尺寸，710-内导体与533-馈电线或534-馈电线垂直互连，焊接在72-焊点，为实现710-内导体垂直插入，从53-馈线层到61-碳纤维板开孔，直径为fd2大于710-内导体的直径，在51-耦合层和52-微波软基板开孔，直径为fd3约为五倍710-内导体的直径，便于焊接操作，73-螺栓从5-馈电耦合层安装，凸出部分的空间由4-第二结构支撑层开腔体提供，为防止73-螺栓集中受力在5-馈电耦合层，在73-螺栓和5-馈电耦合层之间增加1mm厚的74-垫片。

制作流程如图15所示，采用pcb印制以及微波层压工艺，制作寄生辐射层、主辐射层、馈电耦合层，为提高后期各层间的胶结强度，对馈电耦合层的耦合层和接地层进行棕化处理，提高两层金属面的粗糙度从而起到强化胶结强度的效果；按照层次关系完成碳纤维板、蜂窝板、高温胶的装配和检查，实现第六层的固化成形；在结构安装板基础上，依次放置胶膜和馈电耦合层，实现第五层结构的胶结和固化；安装射频连接器，测试安装后的电性能；在第五层的基础上依次放置第二结构支撑层的纸蜂窝、胶膜、主辐射贴片，实现第四层和第三层的胶结和固化；在三四层的基础上，依次放置第一结构支撑层、胶膜和寄生辐射贴片层，实现第二层和第一层的胶结和固化。

上述四次固化的方法均为热真空胶体固化工艺，第一次选用的固化胶膜为高温胶膜，主要是针对碳纤维材料的固化，采用120～130℃高温固化，而后三次固化胶膜是中低温胶膜，主要是针对的纸蜂窝材料的固化，采用80～90℃温度固化。

本发明工作在l波段，中心频率1.26ghz，工作带宽200mhz，天线的长度和宽度分别为612.5mm、154.5mm；微波软基板为介电常数2.92的板材，厚度h1和h2均为0.25mm，h3＝1mm；正方形寄生贴片和主贴片单元的边长a1＝80mm，a2＝91mm，单元之间的间距dx＝153.12mm；水平极化耦合缝的尺寸为hl1＝37mm、hw1＝3mm、hl2＝30mm、hw2＝3mm；垂直极化耦合缝的尺寸为vl1＝20mm、vw1＝3mm、hl2＝58mm、vw2＝3mm；水平极化耦合缝距离单元中心点的距离dh＝28mm，垂直极化耦合缝距离单元中心的距离dv＝23mm；第一结构支撑层、第二结构支撑层、结构安装板的蜂窝板均采用带孔六边边纸蜂窝材料，厚度分别为fh1＝fh2＝7.5mm、fh3＝10mm；碳纤维板均采用碳纤维丝编织而成，厚度均为0.5mm。

耦合层进行隔离处理后的电流分布情况如图16所示，两个极化的电流被严格约束在各自极化范围内，两个极化的互耦得到很好的约束。

天线的水平极化距离方向如图17所示，水平极化方位方向如图18所示，水平极化两个面上的方向图主瓣内的交叉极化电平全频带小于-50db。

天线的水平极化距离方向如图19所示，水平极化方位方向如图20所示，垂直极化两个面上的方向图主瓣内的交叉极化电平全频带小于-50db。

极化隔离度如图21所示，辐射子阵全频带内的隔离度大于52db。

驻波曲线如图22所示，两个极化的端口驻波在全频带内小于1.8。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。