论文总字数：38402字

摘 要

本文针对5G大规模多输入多输出（Massive MIMO）的应用，介绍了以5.8GHz为中心频率、基于微带线的单层平面型4×4巴特勒作为多波束阵列天线的馈电网络矩阵仿真、制作与测试过程。该巴特勒矩阵由3dB定向耦合器、移相器和交叉线三种部件级联后共同构成。其中，3dB定向耦合器采用单节分支线耦合器实现，交叉线采用两节分支线实现对端0dB耦合，同时通过改变传输线的长度完成移相器的设计。为了降低损耗、缩减电路面积，移相器与交叉线均采用最简化设计。

测试结果显示，在5.8GHz频点处，插入损耗平均测量值为-7.4dB，不平衡度为±0.7dB，输出相邻端口间相位差的不平衡度优于±8°。在5.7GHz~6GHz频率范围内，各输入端口的反射系数优于12dB，隔离度优于20dB。当所设计的巴特勒矩阵给阵元间距为λ/2的1×4线型理想天线阵列馈电时，依次激励输入端#1~#4，波束主方向分别为 13°、-48°、 47°、-15°，与理论值相比不平衡度优于±3°。该单层平面微带结构4×4巴特勒矩阵整体电路尺寸为124mm×60mm，既可以实现四支波束的多波束特性，也可以实现波束切换与扫描。

关键词：大规模多输入多输出，波束成形，巴特勒矩阵，HFSS，阵列天线

Abstract

Aiming at multi-beam antenna applications in 5G Massive MIMO, a single-layered micro-strip 4×4 Butler matrix beamforming network has been designed, realized and measured at the center frequency of 5.8GHz. The designed matrix is composed of 3dB directional couplers, phase shifters and crossovers. The couplers can be realized by single section branch line couplers while crossovers employ two sections to ensure 0dB transmission between diagonal ports. Transmission lines with different lengths are utilized to realize phase shifters. And phase shifters and crossovers are implemented in their simplest forms to achieve low loss as well as a compact design.

Based on the measurement, at the center frequency of 5.8GHz, the proposed single-layer micro-strip Butler Matrix exhibits an average insertion loss of -7.4dB, with amplitude variation of about 0.7dB and an average phase imbalance of less than 8°. When the designed matrix is employed to feed an ideal 1×4 linear antenna array with the spacing of λ/2, the angles of the main beams are 13°,-48°, 47°,-15°, with an variation of less than 3°, compared to theoretical values. The size of the whole circuit is 124mm×60mm. Finally, the proposed design is capable of radiating four beams simultaneously and also shows excellent performance in beam switching and scanning.

Keywords: Massive MIMO, beamforming, Butler matrix, HFSS, antenna array

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2相关领域研究背景与现状 1

1.3巴特勒矩阵设计的常用方法 3

1.4本文研究目的和主要研究内容 3

第二章 巴特勒矩阵的设计原理 5

2.1矩阵结构 5

2.2微带传输线的原理 6

2.3 关键部件 7

2.3.1 3dB耦合器 7

2.3.2 移相器 8

2.3.3 交叉线 9

第三章 仿真结果与分析 13

3.1 关键部件仿真 13

3.1.1 3dB耦合器仿真结果 13

3.1.2移相器仿真结果 14

3.1.3交叉线仿真结果 15

3.2 巴特勒矩阵整体仿真 16

3.3 波束仿真 19

3.3.1 波束扫描仿真 19

3.3.2 多波束仿真 20

第四章 测试结果与分析 22

4.1 PCB制版 22

4.2测试平台 22

4.3测量结果与分析 24

4.3.1 巴特勒矩阵测试 24

4.3.2 波束计算 25

4.3.3 仿真与测试结果对比 26

结论 30

致谢 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1引言

伴随着日益增长的传输速率的需求，无线通信逐步迈入到5G时代，预计2020年，5G将开始进行商用。在5G众多候选技术之中，大规模多输入多输出（Massive MIMO）是已达成广泛共识的关键使能技术之一。作为大规模MIMO核心技术的大规模多波束天线阵，可以提供具有高空间分辨率的高增益窄波束，提供灵活的空间复用能力，低的用户间干扰，可以应对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战。然而，这将对阵列的馈电网络提出更高的要求，在每个馈电端口保持一致的幅度且相邻端口间相位差相等的基本要求下，尽可能提高波束扫描范围与波束分辨率。同时，随着天线阵列规模越来越大，馈电网络矩阵的阶数迅速增加，对应电路体积的小型化与低损耗成为研究的关键问题。

多波束天线阵列具有多种馈电网络，其中巴特勒矩阵（Butler Matrix）作为一种典型的波束成形馈电网络，因为其使用部件数目较少，得到了广泛的应用。本课题针对5G Massive MIMO的应用，以巴特勒矩阵为主要对象对波束成形馈电网络进行研究。

1.2相关领域研究背景与现状

随着移动通信系统的发展，信道资源日益紧张，现今已有多种技术广泛用于提高系统容量，包括频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等。为了进一步提高信道容量，空分多址（SDMA）是近年来研究的热点之一。空分多址就是对空间进行划分、实现对信道资源的复用，实现位于不同位置的用户能够在相同频率上同时发送或接收信号[1]。显而易见，采用这种方式，系统容量成倍增加，大大提高了通信系统的效率。多输入多输出系统（MIMO）就是充分利用空间资源的典型实例，这种技术利用多个天线实现信号的发送与接收，不仅能成倍提高信道容量，也可以有效地改善通信质量。

大规模MIMO是已达成广泛共识的5G关键使能技术之一，其中大规模多波束天线阵凭借出色的性能优势，成为下一代通信系统的核心技术，而阵列的馈电网络又对多波束天线阵的性能起着决定性作用。传统电路形式的多波束馈电网络主要有Blass矩阵、Nolen矩阵、Butler矩阵[1]，通过一系列移相器和定向耦合器的组合使用，依靠输入端口之间较高的隔离度，达到给多个波束同时馈电的目标。理想情况下，Nolen矩阵与Butler矩阵是无耗网络，而信号在Blass矩阵中有功率的损耗。尽管无耗网络应用在实际通信系统中时，具有更高的效率，但Blass矩阵凭借高度的灵活性——输出端口幅度可自由控制、波束数目多等优点，得以运用于许多场合。Nolen矩阵是无终端负载的Blass矩阵的特例，其运算方法基于离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform），输入输出端口数目可以灵活变化，且输出端口数可以大于输入端口数[1]。另外，由于Nolen矩阵结构中没有出现传输线的交叉，在平面型馈电网络的实现中比较适用。与Nolen矩阵相比，虽然巴特勒矩阵的灵活性比较差——输入输出端口数相等、并且一般是2的幂次，但巴特勒矩阵的组成部件数目和种类都较少、结构简单易于实现，因而在实际相控阵系统中得到比较广泛的应用[2],[3]。

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