六端口Butler矩阵馈电双极化多波束天线阵列.pdf

，信息通信六端口Butler矩阵馈电双极化多波束天线阵列张炫,边庆，田征戈（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安7 10 0 6 8）摘要：多波束天线作为一种常用的阵列天线，能够调和毫米波天线频率与增益、覆盖之间的矛盾，以达到高增益、广覆盖的特点。文章提出了基于六端口Buter矩阵的双极化多波束天线阵列，达到了宽角度低旁瓣扫描的效果,阵列在垂直方向形成四角度波束，分别为-12+40、-40 和+14，在波束扫描范围内，旁瓣电平优于-14dB，最大增益为18 dBi。关键词:Butler矩阵；低旁瓣；双极化中图分类号：TP393A Dual-Polarized Multi-beam Antenna Array Based On 6 Port Butler Matrix(Aeronautics Computing Technology Research Institute,Xian 710068,China)Abstract:As a common antenna array,multi-beam antenna gained wide usage in alleviating the contradiction between gain,coverage and frequency,and contributes to high gain and wide propagation.A dual-polarized multi-beam antenna array basedon Butler matrix is proposed in this paper,with a characteristic oflow sidelobe level in wide angle scanning,within range of thebeam scan,the antenna proposed gains sidelobe level below-14dB and the maximum gain of 18dBi.Key words:Butler matrix;low sidelobe;dual-polarization1引言多波束天线具有高定向性、高增益以及广覆盖的特点，在多个领域得到广泛发展与使用。无源型天线通过光学或成形网络的方式形成多个波束，典型的应用包括基于Rotman透镜的光学型多波束天线 1-4 和基于Blass矩阵 5、Nolen矩阵 6-8 和Butler矩阵19-1的波束成形网络型多波束天线。Butler矩阵结构简洁、性能稳定，得到了广泛的应用，但由于Butler矩阵自身的输出特性，成形的波束多呈现高旁瓣的特征(文中所述旁瓣，特指第一副瓣，因其距离主瓣最近，对主瓣造成的影响最大，因此是本文的主要关注点）。高旁瓣这一特征，一方面使得能量不能更多集中于主瓣，降低天线增益，另一方面，较高的旁瓣对于主瓣构成干扰，影响信号接收。本文通过对Butler矩阵馈电强度进行改进，削弱旁瓣的馈电，降低旁瓣水平，减少了对主瓣的干扰。2波束扫描原理Butler矩阵形成多波束的原理在于对输出信号相位的控制，图1对波束指向与天线间距、输入相位之间的关系作出简单示意。2023年第0 5期(总第2 45期)文献标识码：A文章编号：2 0 96-97 59(2 0 2 3)0 5-0 150-0 4ZHANG Xuan,BIAN Qing,Tian ZhenggeButler矩阵具有等幅输出功率，因此它的激励电流幅度也是一致的，不具备低旁瓣馈电的特征。文献 11 提出了一种具有锥削电流分布的Butler矩阵，通过使用衰减器，将Butler矩阵两端输出功率衰减至7 0%，达到电流由中心至两边的递减趋势分布，从而使两端的能量供给减少，降低旁瓣水平，这一方法能够将天线旁瓣降低至-10 dB以下。衰减器的衰减作用主要体现在对能量的消耗，在该文献中,Butler矩阵两侧的端口分别接入双端口衰减器，衰减器的其中一路端接匹配负载，用于吸收多余能量，另一路作为矩阵的输出，仅保留原矩阵输出能量的7 0%，虽然在输出端口处改变了原有的等功率分布，但造成了能量的浪费。综合以上，要实现对旁瓣的抑制，原理在于获得递减分布的端口电流。依据这一原理，本文提出了具有锥削电流分布的六端口Butler矩阵。3六端口Buter矩阵如图2 所示，矩阵由传统型Butler矩阵和功分网络组成，具有4个输入端口和6 个输出端口，其中5、6 端口与9、10 端口为两功分网络的输出，分别具有两组相同的输出相位，在最终的输出网络中，将5端口与10 端口的输出位置调换，能够在六个端口之间形成相同的相位差。5678910ddd图1波束与距离、相位关系示意图由多波束理论知,天线波束的指向具体表现为=sin其中，4为相邻两天线间的相位差，d为相邻天线的距离。But-ler矩阵能够输出四种相位差，这是形成波束扫描的基础。文献 10 提出了无损网络在旁瓣抑制中的局限性，而传统收稿日期：2 0 2 3-0 1-2 82.元d1234图2 六端口Butler矩阵结构图150Changjiang Information&Communications使用了双层的结构将馈线分布在不同层中，使端口调换时线路无交叉，设计的双层结构微带功分器结构图如图3所示。双层结构微带功分器由两层介质板组成，图中端口6、7、8、9、10 端口的馈线位于下表面，5端口馈线部分位于下表面，部分位于上表面，中间层为金属地，下表面馈线通过金属过孔连接至上表面，所有的馈电端口均位于上表面。561图3双层结构微带功分器结构图图4为双层结构微带功分器在2 4GHz附近的S参数与端口相位差仿真结果。除过两个直连端口，其余各端口的S参数在-4dB附近波动，表明双层功分器在进行功率分配时产生了部分额外损耗，这些损耗可发生在馈线的弯折以及过孔连接处。5、10 端口由于长馈线与过孔的同时使用，能量损耗较多，传输系数低于6、9 端口。在中心频率附近，处于中间的四个输出端口保持着0 相位差，5、6 端口与9、10 端口间存在18 0 相位差，这样的相差分布使得双层微带功分器在连接到传统Butler矩阵时，能够维持后者原本的输出相位特性，并且使用交换输出的方式增加两路同相差的输出。8P/-+S54+S61S72-12+S83+S94S101-1523.0将双层功分器与传统Butler矩阵连接，得到改进型六端口Butler矩阵。与四端口的改进矩阵相比，六端口矩阵由于引入了双层介质基板、增加过孔与延长馈线，输出端口的能量与相位分布较前者杂乱。图5（a）、（b)分别为六端口Butler矩阵1、2 端口S参数仿真结果，（c)、（d）分别为1、2 端口馈电时，六个输出端口之间的相位差仿真结果。由于Butler矩阵具有对称性,3、4端口的结果与2、1端口相同。观察S参数的仿真结果，在六个输出端口中，7、8 为直接输出端口，传输系数为-7 dB；6、9端口为经过功分器的输出，传输系数约为-10 dB，与直接输出的端口相比，能量下降了3dB；5、10 端口的传输系数理论上应与6、9端口相同，然而，由于5、10端口的馈线较长，弯折较多，馈线内部的反射、辐射消耗了部分能量。因此，5、10 端口处的能量相较于直接输出的7、8端口具有5dB的下降，约为-12 dB。各输出端口的S参数结果表明，矩阵具有不等幅的端口输出特性，呈现由中间向两边递减的能量分布。151张炫等：六端口Butler矩阵馈电双极化多波束天线阵列1、2 端口分别馈电，得到两种输出相位差约为45、-135仿真结果表明，中间四个端口之间的相位差较为稳定，且1端口馈电的输出相位差较2 端口更稳定，导致这一差别的原因有两方面。一方面，中间四个端口线长较短、弯折较少，因此电流反射少，对相位的影响小，因此输出相位较两端的端口稳定；另一方面，2、3端口之间存在一定程度的耦合，当由2端口馈电时，部分能量能够耦合至3端口，进而对位于Butler782325020050-15023524.0频率/GHz(a)端口S参数图4双层结构微带功分器仿真结果942Sn-2S,ZSe-2S424525.01023.0235频率/GHz(b)端口相位差矩阵中间的交叉耦合器造成干扰。本设计中，在交叉耦合器中间开槽，用以减轻端口之间的耦合。结果表明，矩阵能够维持稳定的相位差输出，但带宽较窄，在2 3.7 5-2 4.2 5GHz范围之外，相位变化较大。根据Buter矩阵的对称特性，由四个输入端口馈电得到的输出相位差分别为45-135135-45。综上，六端口Buter矩阵在2 4GHz附近具有锥削分布的电流输出特性与良好的输出相位差。10J5aP/-S+Su+Ssi30S6iS30SiS9t-353Sio-4023.01501024.0245+Su+SsSeSn+SsSo2-4021.524.0频率/GHz(a)端口1馈电时各端口S参数分布0/口ZS51-ZS612S61-ZS712S71-ZS8125.0+2S81-ZS91150+2S91-ZS10123.023.5频率/GHz(c）端口1馈电时输出端口相位差图5六端口Butler矩阵部分仿真结果4双极化多波束天线阵列双极化天线能够收发相互正交的极化电磁波，能够实现收发一体化、扩展容量等。双极化的原理在于形成两个垂直方向的极化波，本文设计了基于电磁耦合馈电的双层角馈双极化阵列。图6 为天线阵列示意图，为46 方阵，包括6 个14线阵，阵元间距为一个工作波长，馈电时处于等相位激励状态；阵元之间采用串联馈电，阵元馈线处使用1/4波长阻抗匹配；每个线阵均有两馈电端口，控制不同方向的极化；阵列的奇数端口控制形成+45线极化波，偶数端口控制形成-45线极化波，对同一极化方向馈电端口馈电，阵列上方形成对应极化的宽带高增益定向波束。阵列的S参数仿真结果如图7 所示，S11、S2 2 分别为端口1、2 的回波损耗，均低于-10 dB，表明在2 3-2 5GHz范围内，阵列24324.024525.025.023.025023.023.5频率/GHz(b)端口2 馈电时各端口S参数分布ZS52-ZS62-2S62-2S72+2S72-2S82+2S82-2S92+2S92-2S10223524.0频率/GHz(d)端口2 馈电时输出端口相位差24024.524.525.025.0Changjiang Information&Communications的两种极化波均具有良好的宽带特性；S12、S2 1为端口1与2之间的隔离度，均低于-17 dB，表明两种极化波之间具有较大的隔离度。12张炫等：六端口Butler矩阵馈电双极化多波束天线阵列角度波束，分别为-12、+40、-40 和+14，获得的最大增益为18dBi。对方向图作归一化处理，与主瓣电平(OdB)相比，四角度波束的旁瓣电平分别为-18 dB、-14.5d B、-14d B、-2 0 d B，皆处1X4线阵于-14dB以下，表明旁瓣得到了较大程度的抑制。108-45馈电端口-10-158P/-S-20-25-30-3523.0使用六端口Butler矩阵对阵列馈电，形成的多波束天线阵列如图8 所示。阵列具有三层结构，下层矩阵提供阵列不同线阵间所需的相位差、控制电流分布；中层馈电网络提供阻抗匹配功能、等相位激励功能；上层贴片辐射形成高增益定向波束。阵列通过激励最下层的八个馈电端口形成两种极化、四个角度的扫描波束。上层贴片(a)阵列示意图(b)阵列各层结构分解图图8 多波束天线阵列图9为同一极化方向四个馈电端口分别激励时的辐射方向图及归一化方向图，由图中可看出，阵列在垂直方向形成四P/976+45馈电端口5432图6 双极化天线阵列123.524.0频率/GHz图7 天线阵列S参数、端口隔离度中层馈网下层Butler矩阵pontl30por2一port3por4T-150-100(a)辐射方向图图9不同端口馈电时获得的阵列辐射方向图5结语本文从毫米波天线增益