X波段双极化Van Atta微带天线阵研究

杨文凯，张建华

（电子工程学院，合肥230037）

X波段双极化Van Atta微带天线阵研究

杨文凯，张建华

（电子工程学院，合肥230037）

利用双端口双极化微带天线阵元设计了一种中心频率在9.5 GHz的四元Van Atta平面阵，双端口双极化微带天线阵元采用双层介质口径耦合馈电技术。利用高频电磁仿真软件HFSS对阵元及阵列模型进行仿真分析，结果表明：以来波方向-35°，-5°，15°为例，所设计的Van Atta阵双站RCS在-35°，-6°，13°方向达到最大，阵列反向性良好；单站RCS值在-40°～40°来波角度范围内变化小于3 dB，且在前向半空间均大于均匀阵的RCS值，并克服了均匀阵的零陷限制。

口径耦合，双极化，反向天线阵，Van Atta阵

0 引言

反向天线阵是一种特殊的天线阵列［1-2］，其无需预先知道来波的入射角或者依赖复杂的数字信号处理计算就可以将信号发回目标所在位方向，它是天线的单站散射截面和该天线的最大方向系数，其源方向投影面积的乘积和源方向无关。反向天线阵因结构简单、反应速度快而受到特别的关注。近年来，反向天线阵在避免碰撞系统、卫星通信和提高目标RCS等领域得到许多应用。

反向性最早的实现形式是角反射器，角反射器由两个正交放置的平板构成，入射信号经过两次反射回到与入射方向平行的方向，但因其电尺寸太大而难以应用于集成电路，且难以对角反射器接收的信号进行数据处理，因而得不到广泛应用。因此，一般采用天线阵实现反向性功能。反向天线阵主要有两种形式：Van Atta阵［1］和PON阵［2］。与利用混频技术实现相位共轭的PON阵相比，Van Atta阵不需要任何非线性器件来实现相位共轭的条件，反应迅速，形式简单，可靠有效，使其获得极大的关注和发展，国内外诸多学者对各种Van Atta阵列进行研究［3-9］。本文基于口径耦合双极化微带天线［10-11］，采用对称结构对X波段Van Atta阵进行研究。

1 理论分析

其中E0是入射波电场强度。该阵元接收的功率为

G（θ）是阵元在入射角θ上的增益。当传输线长度相等时，辐射信号相位相对于入射信号是反转的，使辐射波束最大值指向来波方向，从而实现反向。对于N元Van Atta阵，指向入射波θ方向的总的反向辐射场为

其中kt是传输线的传播常数，l是传输线的长度。从式（3）可知，反向辐射场与阵元的数量和天线的增益成正比。

2 仿真与设计

本文所研究的Van Atta阵的基本组阵方法是将每一对天线中阵元1的水平极化端口与阵元2的垂直极化端口、阵元1的垂直极化端口与阵元2的水平极化端口通过等电长度的传输线连接，双极化微带天线采用双层介质板口径耦合馈电技术。

2.1 口径耦合双极化阵元设计

双极化天线技术有单层与多层、单馈与多馈等多种实现方法，本文研究的Van Atta阵由于馈电网络较为复杂，采用口径耦合微带天线可将微带馈线用接地板隔开，有效地减少馈线辐射对贴片辐射的影响。口径耦合微带天线是一种复杂的多层介质电磁耦合结构，其单元极化纯度和极化隔离与口径形状及位置有关，常见形状有蝴蝶型、H型、T型、三角形等。本文采用双层介质，方形贴片，H型缝隙。图2给出了H型口径耦合微带天线的仿真图及几何结构关系，贴片层介质板采用RT/Duroid5880，相对介电常数εr1=2.2，厚度h1=1.575mm，金属层厚度为18μm，损耗正切值为tanδ=0.001，微带馈线及地层介质板采用RT/Duroid 6010，相对介电常数εr2=10.2，厚度h2=0.635 mm。天线结构参数分别为a=11.7 mm，W1=3.5mm，W2=1mm，Wd=2.3mm，L2=2mm，L3=0.57mm，L5=0.6 mm，D=2.8 mm，S=2.7 mm。

下页图3给出了两个端口S11和S12的仿真曲线（由于阵元结构对称，两曲线重叠）。由图3可知，该天线阵元在工作频率f=9.5 GHz回波损耗低于40 dB，隔离度大于28 dB。

图4 给出了天线阵元仿真的方向图，图形显示天线的3 dB波束宽度约60°，最大增益约9 dB。可在离馈线1/4波长处加金属板以减小后向散射，同时这样将增大阵元的结构。

2.2 阵列设计

以上面设计的口径耦合双端口双极化微带天线作为阵元，设计了四单元Van Atta天线阵，阵列结构如图5所示，4个单元天线按平面排列，并且关于中心分布对称。天线阵工作在频率f=9.5 GHz，阵元间距设为0.60以减少阵元之间相互耦合，每对阵元间均由50 Ω微带传输线连接，连接左上和右下两贴片的微带线长度为37.1 mm，连接左下和右上两贴片的微带线长度为69.2 mm，两条传输线相差3g（g=1.07 mm）。天线阵尺寸为50.1×50.1 mm2。

3 结果与比较

在高频电磁仿真软件HFSS中建立Van Atta天线阵模型并进行仿真验证。以水平极化作为反向天线阵的接收模式，垂直极化作为反向天线阵的发射模式，或者以垂直极化作为反向天线阵的接收模式，水平极化作为反向天线阵的发射模式，其结果相同。在HFSS中设定入射波的极化模式为水平极化，任取3个角度如θ1=-5°，θ2=15°，θ3=-35°，作为入射波的入射角度。为了清晰地显示所设计的天线阵的反向特性，图6给出了Van Atta天线阵在不同入射角度的水平极化波下的归一化双站RCS，从图中可以得知，双站RCS的最大值分别出现在θ1=-6°，θ2=13°，θ3=-35°的方向上，因此，可以得到Van Atta天线阵具有回波反向性，能够自动跟踪入射源方向。

但是上述3个方向与入射源的方向之间还存在一定的误差，这是由于阵元的方向性和互耦效应等对阵列天线的性能造成的影响，使得反向天线阵出现了波束指向误差。Van Atta天线阵精巧的设计阵元排列，成对的阵元呈现空间位置对称，使得天线阵列端口的相位反转，从而满足了相位共轭条件，通过仿真，验证了Van Atta天线阵的反向性。

将入射波设为φ=0°，θ为-90°～90°，得到天线阵的单站RCS如图7所示，在0°方向得到最大值，在来波-40°～40°范围内达到良好的反向效果。

图8给出了Van Atta阵与均匀平面阵的单站RCS比较，从图中可以明显看出，在整个散射角度范围内，Van Atta平面阵的单站RCS均高于均匀阵，尤其在θ=±22°，该方向为均匀平面阵的零陷方向，均匀阵不具有收发效果，因此，本文所设计的反向天线阵不仅具有反向功能，还扩展了天线阵的角度工作范围。

4 结论

本文设计了一种X波段采用双层介质口径耦合馈电结构双极化微带天线阵元，并利用该阵元设计了一种四元双极化Van Atta微带天线阵。仿真结果表明：①所设计的口径耦合双极化天线阵元特性；②任意取3个角度对Van Atta阵的反向性进行验证，阵列反向性良好；（3）Van Atta阵与均匀平面阵的单站RCS比较，在-90°～90°范围内，Van Atta阵单站RCS均高于均匀阵，且最多高20 dB。

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Development of Dual-polarized Van Atta Microstrip Antenna Array at X-band

YANG Wen-kai，ZHANG Jian-hua
（Electonic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

A two dimensional Van Atta retrodirective 2x2 array is designed using dual polarized microstrip square patch antenna at a frequency of 9.5 GHz.The dual polarized microstrip antenna is designed using aperture coupled feeding technique in a duble-substrate structure.The antenna element and array model are analyzed using High Frequency Structure Simulator（HFSS）tool，the simulated resulted shows that bistatic RCS of the Van Atta proposed in the deg of-35°，-5°，15°come to maximum value in the deg of-35°，-6°，13°.The array’s nature of the reverse is proved.The Monostatic RCS varies in range of 3dB while incident wave inwave theta in-40°～40，and it is easily find out that of the RCS value greater than uniformity array in all forward half space，overcoming the zero trap limit in uniformity array.

aperture coupled，dual-polarized，retrodirective，Van Atta array

TN820.1+5

A

1002-0640（2017）01-0125-04

2015-11-07

2016-01-20

杨文凯（1991-），男，湖南新邵人，硕士研究生。研究方向：天线与电波传播技术。