龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于巴特勒矩阵的无源多波束成形网络技术研究 作者：周越 来源：《电子技术与软件工程》2016年第12期 随着通信与测控技术的不断发展，要求通信站能对多个用户进行通信。近些年空域分集技术得到广泛关注，基于多波束技术的多用户系统得到深入研究。本文首先对各种多波束方案进行了介绍，并对各种多波束技术进行了对比。在介绍了无源多波束形成原理的基础上，研究了基于的一维小型化无源多波束成形网络，利用带状线在一维电小的特点，有效缩减了butler矩阵的厚度，对带状线4×4butler矩阵进行了仿真。 【关键词】多波束 巴特勒矩阵 波束成形 1 引言 随着通信与测控技术的不断发展，要求通信站能对多个用户进行通信。近些年空域分集技术得到广泛关注，基于多波束技术的多用户系统得到深入研究。本文首先对各种多波束方案进行了介绍，并对各种多波束技术进行了对比。空分多址，主要通过用户空间上存在不相关性，从而通过空间滤波的方式，通过每个用户在空间上的区别，区分出不同用户的信号。实现该多址方式的重要技术手段就是多波束成形技术。 2 固定多波束天线及其波束形成网络的基本原理 无源多波束成形网络，是通过微波无源器件，通过级联或者插入的方法，使得微波信号天线的不同单元间形成不同延迟、不同幅度的加权，在单元间形成规则的幅相加权，以达到波束成形的目的，不同的输入端口可以形成不同的单元幅相加权，从而产生多个波束。 和有源相控阵列相比，无源多波束天线具有造价低廉的优点，因而更加适用于大批量制作生产，所以构成无源多波束天线的波束形成网络就具有很大的研究价值。目前比较前沿的无源多波束网络有rotman透镜技术、巴特勒矩阵技术。 一个损耗小、制造成本低廉的波束形成网络可以减小发射功率损耗，提高功放利用率，从而提升整机性能。在无源多波束网络中，butler矩阵是一种经常使用的波束形成网络，主要由90°电桥、0dB交叉耦合器、移相器构成。 3 基于4×4巴特勒矩阵的无源多波束成形网络设计 针对一维小型化无源多波束成形网络，利用带状线在厚度方向的一维封闭场限制，有效缩减了butler矩阵的厚度，对X波段带状线4×4butler矩阵进行了仿真。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 仿真选用了Rogers5880板材作为介质基板，该介质基板的介电常数为2.2。设计带状线为对称带状线，带状线距离上下壁的厚度为0.5mm，总厚度1mm。计算50欧姆线宽为0.8mm。 分别设计了3dB分支线耦合器、0dB分支线交叉耦合器、移相器，而后对电路进行级联，并对各参数进行优化，得到电路结构如图2。 通过有限元分析，得到了该无源多波束网络各个通道的相位加权关系如图3所示。可以看到每个相邻通道的相位差约为45°，在8.4GHz附近相位差随频率变化不大。 该无源多波束网络各个通道的幅度加权关系如图4所示。本次设计采用了等幅加权的方式，在验证频段8.4GHz附近，各个通道的幅度曲线相互交汇，幅度平衡度较好。 4 结束语 本文介绍了无源多波束形成网络的基本原理，对无源多波束形成网络进行了基于微带线技术的小型化设计与仿真。由仿真数据可以看出，带状线的巴特勒矩阵在窄带带宽内，幅度平衡度达到了±0.5dB，相位平衡度在±5°以内。利用带状线的电磁结构限制，设计的巴特勒矩阵厚度仅为1mm，但是该巴特勒矩阵的面积较大，需要进行改进。其主要改进措施有两步，第一步，以折叠线替代直线，减小分支线电桥的布板面积；第二步，以雪夫曼移相器替代传输线移相器，缩减布板面积的同时扩展工作带宽。 参考文献 [1]林守远.Butler阵的幅度加权[J].现代雷达，1997（03）. [2]杨煜，冯正和.用改进的Bulter矩阵实现固定多波束面天线阵[J].微波学报，2000. [3]CMOS 4×4 and 8×8 Butler matrices 2010 IEEE MTT-S International Rebeiz， Gabriel M.，Kim， Jeong-Geun，Atesal， Yusuf A.，Cetinoneri， Berke， 2010. [4]An 8 8 Butler Matrix in 0.13-um CMOS for 5-6-GHz Multibeam Applications Microwave Theory and Techniques IEEE Transactions on Berke Cetinoneri， Yusuf A.Atesal，Gabriel M.Rebeiz， 2011. [5]Novel two-layer broadband 4×4 Butler matrix in SIW technology for Ku-band applications Microwave Conference， 2008.APMC 2008.Asia-Pacific Aubert， Herve，Coccetti，Fabio，Fonseca， Nelson，Ali，Ahmed，2008. [6]A dual-band beam-switched slot array for GSM 900 1800MHz Microwave Conference，2006.APMC 2006.Asia-Pacific Weihua Tan，Boyu Zheng，Zhongxiang Shen，Yijun Liu，Dec.2006. 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn [7]Compact broadband Butler matrix in multilayer technology for integrated multibeam antennas Electronics Letters Gruszczynski，S.，Wincza，K.， Sachse， K.May 24 2007. [8]Widening Butler matrix bandwidth within the X-band Antennas and Propagation Society International Symposium，2005 IEEE Hiranandani， M.A.，Kishk，A.A.3-8 July 2005. [9]4x4 Butler Matrix design by using circular bend APACE 2007 M.Z.A.Abd Aziz，M.K.Suaidi 2007. 作者简介 周越，男，硕士学位。现供职于中国电子科技集团公司第五十四研究所，从事微波毫米波相控阵技术研究、微波通信系统研究、机载相控阵技术研究。 作者单位 中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/3fee9236660e52ea551810a6f524ccbff121ca87.html