X波段雙極化Van Atta微帶天線陣研究

楊文凱，張建華

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

X波段雙極化Van Atta微帶天線陣研究

楊文凱，張建華

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

利用雙端口雙極化微帶天線陣元設(shè)計了一種中心頻率在9.5 GHz的四元Van Atta平面陣，雙端口雙極化微帶天線陣元采用雙層介質(zhì)口徑耦合饋電技術(shù)。利用高頻電磁仿真軟件HFSS對陣元及陣列模型進行仿真分析，結(jié)果表明：以來波方向-35°，-5°，15°為例，所設(shè)計的Van Atta陣雙站RCS在-35°，-6°，13°方向達到最大，陣列反向性良好；單站RCS值在-40°～40°來波角度范圍內(nèi)變化小于3 dB，且在前向半空間均大于均勻陣的RCS值，并克服了均勻陣的零陷限制。

口徑耦合，雙極化，反向天線陣，Van Atta陣

0 引言

反向天線陣是一種特殊的天線陣列［1-2］，其無需預(yù)先知道來波的入射角或者依賴復(fù)雜的數(shù)字信號處理計算就可以將信號發(fā)回目標(biāo)所在位方向，它是天線的單站散射截面和該天線的最大方向系數(shù)，其源方向投影面積的乘積和源方向無關(guān)。反向天線陣因結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快而受到特別的關(guān)注。近年來，反向天線陣在避免碰撞系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和提高目標(biāo)RCS等領(lǐng)域得到許多應(yīng)用。

反向性最早的實現(xiàn)形式是角反射器，角反射器由兩個正交放置的平板構(gòu)成，入射信號經(jīng)過兩次反射回到與入射方向平行的方向，但因其電尺寸太大而難以應(yīng)用于集成電路，且難以對角反射器接收的信號進行數(shù)據(jù)處理，因而得不到廣泛應(yīng)用。因此，一般采用天線陣實現(xiàn)反向性功能。反向天線陣主要有兩種形式：Van Atta陣［1］和PON陣［2］。與利用混頻技術(shù)實現(xiàn)相位共軛的PON陣相比，Van Atta陣不需要任何非線性器件來實現(xiàn)相位共軛的條件，反應(yīng)迅速，形式簡單，可靠有效，使其獲得極大的關(guān)注和發(fā)展，國內(nèi)外諸多學(xué)者對各種Van Atta陣列進行研究［3-9］。本文基于口徑耦合雙極化微帶天線［10-11］，采用對稱結(jié)構(gòu)對X波段Van Atta陣進行研究。

1 理論分析

其中E0是入射波電場強度。該陣元接收的功率為

G（θ）是陣元在入射角θ上的增益。當(dāng)傳輸線長度相等時，輻射信號相位相對于入射信號是反轉(zhuǎn)的，使輻射波束最大值指向來波方向，從而實現(xiàn)反向。對于N元Van Atta陣，指向入射波θ方向的總的反向輻射場為

其中kt是傳輸線的傳播常數(shù)，l是傳輸線的長度。從式（3）可知，反向輻射場與陣元的數(shù)量和天線的增益成正比。

2 仿真與設(shè)計

本文所研究的Van Atta陣的基本組陣方法是將每一對天線中陣元1的水平極化端口與陣元2的垂直極化端口、陣元1的垂直極化端口與陣元2的水平極化端口通過等電長度的傳輸線連接，雙極化微帶天線采用雙層介質(zhì)板口徑耦合饋電技術(shù)。

2.1 口徑耦合雙極化陣元設(shè)計

雙極化天線技術(shù)有單層與多層、單饋與多饋等多種實現(xiàn)方法，本文研究的Van Atta陣由于饋電網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，采用口徑耦合微帶天線可將微帶饋線用接地板隔開，有效地減少饋線輻射對貼片輻射的影響?？趶今詈衔炀€是一種復(fù)雜的多層介質(zhì)電磁耦合結(jié)構(gòu)，其單元極化純度和極化隔離與口徑形狀及位置有關(guān)，常見形狀有蝴蝶型、H型、T型、三角形等。本文采用雙層介質(zhì)，方形貼片，H型縫隙。圖2給出了H型口徑耦合微帶天線的仿真圖及幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系，貼片層介質(zhì)板采用RT/Duroid5880，相對介電常數(shù)εr1=2.2，厚度h1=1.575mm，金屬層厚度為18μm，損耗正切值為tanδ=0.001，微帶饋線及地層介質(zhì)板采用RT/Duroid 6010，相對介電常數(shù)εr2=10.2，厚度h2=0.635 mm。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為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。

下頁圖3給出了兩個端口S11和S12的仿真曲線（由于陣元結(jié)構(gòu)對稱，兩曲線重疊）。由圖3可知，該天線陣元在工作頻率f=9.5 GHz回波損耗低于40 dB，隔離度大于28 dB。

圖4 給出了天線陣元仿真的方向圖，圖形顯示天線的3 dB波束寬度約60°，最大增益約9 dB。可在離饋線1/4波長處加金屬板以減小后向散射，同時這樣將增大陣元的結(jié)構(gòu)。

2.2 陣列設(shè)計

以上面設(shè)計的口徑耦合雙端口雙極化微帶天線作為陣元，設(shè)計了四單元Van Atta天線陣，陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示，4個單元天線按平面排列，并且關(guān)于中心分布對稱。天線陣工作在頻率f=9.5 GHz，陣元間距設(shè)為0.60以減少陣元之間相互耦合，每對陣元間均由50 Ω微帶傳輸線連接，連接左上和右下兩貼片的微帶線長度為37.1 mm，連接左下和右上兩貼片的微帶線長度為69.2 mm，兩條傳輸線相差3g（g=1.07 mm）。天線陣尺寸為50.1×50.1 mm2。

3 結(jié)果與比較

在高頻電磁仿真軟件HFSS中建立Van Atta天線陣模型并進行仿真驗證。以水平極化作為反向天線陣的接收模式，垂直極化作為反向天線陣的發(fā)射模式，或者以垂直極化作為反向天線陣的接收模式，水平極化作為反向天線陣的發(fā)射模式，其結(jié)果相同。在HFSS中設(shè)定入射波的極化模式為水平極化，任取3個角度如θ1=-5°，θ2=15°，θ3=-35°，作為入射波的入射角度。為了清晰地顯示所設(shè)計的天線陣的反向特性，圖6給出了Van Atta天線陣在不同入射角度的水平極化波下的歸一化雙站RCS，從圖中可以得知，雙站RCS的最大值分別出現(xiàn)在θ1=-6°，θ2=13°，θ3=-35°的方向上，因此，可以得到Van Atta天線陣具有回波反向性，能夠自動跟蹤入射源方向。

但是上述3個方向與入射源的方向之間還存在一定的誤差，這是由于陣元的方向性和互耦效應(yīng)等對陣列天線的性能造成的影響，使得反向天線陣出現(xiàn)了波束指向誤差。Van Atta天線陣精巧的設(shè)計陣元排列，成對的陣元呈現(xiàn)空間位置對稱，使得天線陣列端口的相位反轉(zhuǎn)，從而滿足了相位共軛條件，通過仿真，驗證了Van Atta天線陣的反向性。

將入射波設(shè)為φ=0°，θ為-90°～90°，得到天線陣的單站RCS如圖7所示，在0°方向得到最大值，在來波-40°～40°范圍內(nèi)達到良好的反向效果。

圖8給出了Van Atta陣與均勻平面陣的單站RCS比較，從圖中可以明顯看出，在整個散射角度范圍內(nèi)，Van Atta平面陣的單站RCS均高于均勻陣，尤其在θ=±22°，該方向為均勻平面陣的零陷方向，均勻陣不具有收發(fā)效果，因此，本文所設(shè)計的反向天線陣不僅具有反向功能，還擴展了天線陣的角度工作范圍。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種X波段采用雙層介質(zhì)口徑耦合饋電結(jié)構(gòu)雙極化微帶天線陣元，并利用該陣元設(shè)計了一種四元雙極化Van Atta微帶天線陣。仿真結(jié)果表明：①所設(shè)計的口徑耦合雙極化天線陣元特性；②任意取3個角度對Van Atta陣的反向性進行驗證，陣列反向性良好；（3）Van Atta陣與均勻平面陣的單站RCS比較，在-90°～90°范圍內(nèi)，Van Atta陣單站RCS均高于均勻陣，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

楊文凱（1991-），男，湖南新邵人，碩士研究生。研究方向：天線與電波傳播技術(shù)。