用于波束扫描天线的馈电网络的设计与研究

论文总字数：25098字

目 录

1 绪论

1.1研究背景及其意义...............................................................................................................6

1.2国内外发展状况.....................................................................................................6

1.3论文结构...............................................................................................................................7

2 Butler馈电天线阵的研究

2.1Butler矩阵的构成与基本原理..................................................................................8

2.2波束扫描天线的基本原理.......................................................................................10

2.21 Butler矩阵多波束天线形成原理.....................................................................10

2.22 多波束天线在HFSS中的模拟仿真....................................................................11

2.3Butler矩阵的幅度加权.........................................................................................................13

3 四端口Butler矩阵的设计与研究

3.1 3dB定向耦合器的设计与优化................................................................................14

3.11 用奇偶模分析法分析3dB定向耦合器...............................................................14

3.12 3dB定向耦合器的设计步骤..............................................................................20

3.13 ADS中3dB定向耦合器的设计.........................................................................20

3.14 CST中3dB定向耦合器的参数优化...................................................................23

3.15 HFSS中3dB定向耦合器的建模与仿真......................................................................23

3.2 0dB定向耦合器及移相器的设计.............................................................................24

3.3四端口Butler矩阵的仿真与优化.............................................................................26

4 总结与展望

参考文献

用于波束扫描天线的馈电网络的设计与研究

周佳瑜

，China

Abstract:In order to realize the beam scanning of antenna, this paper analyzes the advantages of Butler feed network compared with other beam switching methods, and designs a four port Butler matrix. First of all, we expatiate the basic principle of Butler matrix to realize beam switching, give the derivation formula of beam pointing, and simulate the beam switching of antenna array in HFSS. Then from the basic components of analysis of directional coupler and solved its S matrix using the parity mode, summed up in its amplitude and phase distribution characteristics, and then design a 3dB directional coupler working at 5.8GHZ, and the simulation by ADS software, and then optimized in CST software, finally verified in HFSS software. Furthermore, the 0dB directional coupler which meets the requirement is designed and simulated in HFSS software. The components have been designed to build as a four port Butler matrix distribution and the simulation, the simulation results show that the feed network can realize the same phase delay or advance requirements between the four port and adjacent port output.

Key words: beam scanning;Butler matrix;even and odd mode analysis;direct feed;

phase distribution

1.绪论

1.1研究背景及其意义

上个世纪初期，整个世界的科技取得了巨大的进步与发展，特别体现在计算机技术、生物工程、空间技术以及原子能等方面。这就是人类史上第三次产业革命，也称科技革命。继18世纪的蒸汽时代与19世纪的电气时代之后，这次科技革命使我们的生活进入了一个崭新的时代。

这次革命不仅导致了政治、文化和经济领域的变革，也在很大程度上影响了科学界，甚至彻底改变了我们的思想。在这次革命大潮中，有一股力量波涛汹涌，它将我们的生活变得更方便、更友好、更快捷。它就是人类的新朋友—无线通信技术。

而天线作为一种重要的前端器件，对于任何无线通信系统来说都是必要的。对于传统的天线来说，只要经过设计、加工、安装等一系列步骤之后，它的辐射特性、电磁参数就能够确定下来了。而随着时代的发展，人们对无线通信技术的要求越来越高，希望可以用一个天线来实现多个天线的功能。在这样的需求下，波束扫描天线就自然而然的出现了，波束扫描天线主要以相控阵天线和频扫天线为代表。随着频率的改变，天线的波束方向也会相应的发生改变，这样就可以实现波束扫描。其中多波束天线在工程上备受瞩目，它可以在射频端实现波束合成。多波束天线主要是利用几个固定的、具有高增益的窄波束覆盖所需空间，并根据来波的方向以及某些特定的准则，从而实现波束指向的选择，相比于其他波束扫描天线来说更加容易实现，而且它的成本低，可以有效解决现有系统容量的扩充问题，对于现有通信系统的升级来说也非常方便。而对于主要由波束形成网络、天线阵等组成的多波束天线来说，波束形成网络是其中的关键技术。波束形成网络，即天线阵列的馈电网络，它是通过控制天线阵列输入端口的相位分布来实现不同指向的波束的。

Butler矩阵是一种目前广泛应用于多波束天线的馈电网络，它相比于其他波束切换方法具有很多的优势。其一，Butler矩阵的结构原理比较简单，在实现的时候比较方便；其二，Butler矩阵很容易实现双频段与宽带。由于Butler矩阵主要由耦合器和移相器构成，我们只要实现了耦合器和移相器的双频段和宽带，就能够实现Butler矩阵的双频段和宽带结构；最后，在理想情况下，Bulter矩阵是无损增益的，也就是说，由它形成的每个波束都可以获得整个天线提供的增益，并且所形成的多波束是正交的，同时制作较为简单，可以通过传输线结构实现，成本较低。综上所述，采用Bulter矩阵作为波束扫描天线的馈电网络具有很大的发展前景和研究意义。

1.2 Butler矩阵的国内外发展现状1961年，Jesse Butler和Ralph Lowe首先提出了Butler矩阵。此后，Butler矩阵由于其结构的简单性和设计的灵活性受到了广大工程师的热爱。所以在国内外很多科技文献中都对Butler矩阵的设计和优化进行了介绍。现在国内外对于Butler矩阵的研究主要以实现易集成、宽带、小型化、可形成多个波束等作为研究重点。2007年S.Z.I brahim等人设计了采用了单层板结构的微带Butler矩阵，该Butler矩阵主要用于WLAN，仿真结果表明，在中心频率2.4GHZ处，Butler矩阵输出端口的传输系数为-7.2dB~8.4dB，S参数损耗有点大，另外输出相位误差约为。2008年George Tudosie、Ruediger Vahldieck和Albert Lu提出了采用低温共烧陶瓷为基板的Butler矩阵，表明了介电常数较高的介质材料也可以在一定程度上减小Butler矩阵的尺寸。2009年Muhammad Mahfuzul Alam等人设计了用于WiFi系统的微带Butler矩阵，该Butler矩阵也采用了单层板结构，在2.45GHZ频点处，Butler矩阵输出相位误差的仿真值约为，该Butler矩阵的工作频率为2.412GHZ~2.484GHZ。西安电子科技大学的赵兵等人设计了x波段微带Butler矩阵，将1端口作为输入端口时，输出端口的传输系数的仿真值大于-7.25dB。2010年Tarek Djerafi等人设计制作了在11GHZ~14GHZ频率范围内的宽带Butler矩阵，该平面Butler矩阵采用介质集成波导技术，插入损耗较小。2011年Berke Cetinoneri等人采用CMOS技术实现了小型化Butler矩阵，该矩阵在5GHZ~6GHZ范围内，各输入端口间的隔离度小于-16dB，各输出端口间的相位差误差小于。2012年T Djerafi、J Gauthier以及K Wu实现了Butler矩阵基于波导的幅度加权，他们主要是采用了在波导中加载不同的圆柱短棒阵列的方法。综上所述，Butler矩阵在各个研究方向上都取得了很大的进展，尤其是对于4端口Butler矩阵的研究非常丰富。所以对4端口Butler矩阵进行进一步研究还是十分必要且具有实际意义的。

1.3论文结构

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