應(yīng)用于多波束陣列天線的Butler矩陣的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，多波束陣列天線因固有的提高系統(tǒng)通信容量特性，在通信技術(shù)領(lǐng)域中，尤其在未來5G領(lǐng)域中越來越受關(guān)注。Butler矩陣是一種基于模擬技術(shù)的多波束形成網(wǎng)絡(luò)，因為具有無損耗、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在多波束陣列天線中具有重要的應(yīng)用價值。近幾年，對Butler矩陣的研究主要集中對4×4Butler矩陣或8×8Butler等偶數(shù)階矩陣的小型化、寬頻帶、低損耗等方面。偶數(shù)階Butler矩陣只會產(chǎn)生關(guān)于法線對稱的波束。本文主要對具有0

2、度軸線方向波束覆蓋的奇數(shù)階Butler矩陣進(jìn)行研究與設(shè)計，提出了3×3Butler陣和5×6Butler矩陣，分別為三波束與五波束天線陣進(jìn)行饋電。
　　本文首先對國內(nèi)外近幾年Butler矩陣的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單綜述，并且對Butler矩陣進(jìn)行簡要介紹和近幾年主要的設(shè)計實現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié)。Butler矩陣多波束的基本原理進(jìn)行分析，包括Butler矩陣方向圖的形成原理和特性以及Butler的基本組件，尤其是對耦合器的原理進(jìn)行詳細(xì)

3、的分析。
　　其次，設(shè)計了一個中心頻率為2.0GHz、相對帶寬為30％微帶結(jié)構(gòu)的2×4Butler矩陣。該矩陣結(jié)構(gòu)采用三分支線定向耦合器，改進(jìn)的Schiffman寬帶移相器和不等分功分器作為基本部件,在傳統(tǒng)3dB耦合器實現(xiàn)兩波束的基礎(chǔ)上結(jié)合不等分功分器設(shè)計了具有幅度加權(quán)的2×4Butler矩陣，從而能夠達(dá)到對旁瓣電平有效的抑制。
　　再次,設(shè)計了一個中心頻率為2.0GHz微帶線結(jié)構(gòu)3×3Butler矩陣。本文采用了微帶結(jié)構(gòu)對

4、該矩陣進(jìn)行的實際驗證。在理論和實際結(jié)果一致的情況下，由于基片集成波導(dǎo)（SIW）不僅保持了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的高品質(zhì)因數(shù)、低插損、低輻射等特性，還具有低剖面、低成本、易于與平面電路集成等優(yōu)點，可以有效地實現(xiàn)無源器件和有源電路之間的集成，本文采用SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計了中心頻率為10GHz的3×3Butler矩陣和SIW縫隙天線從而構(gòu)成了具有0度軸線波束覆蓋三波束天線陣。進(jìn)一步設(shè)計了緊湊結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu)SIW結(jié)構(gòu)的三波束天線陣，整體尺寸縮小了48%。

5、　　最后，本文采用兩個3×3Butler矩陣設(shè)計了5×6Butler矩陣，該矩陣同樣能夠?qū)崿F(xiàn)具有0度軸線方向波束的五個波束。首先采用三支節(jié)寬帶耦合器來設(shè)計寬帶3×3Butler矩陣，中心頻率為2GHz，相對帶寬為30%，然后通過對5×6Butler矩陣的理論分析，用寬帶3×3Butler矩陣來設(shè)計5×6Butler矩陣。實際仿真結(jié)果和分析的結(jié)果相一致。
　　對上述2×4Butler矩陣和3×3Butler矩陣行加工測試，測試結(jié)果與