基于微带Butler矩阵的宽频波束形成网络研究

摘要

对于多波束天线系统而言，波束形成网络是其重要组成部分。Butler矩阵与天线相结合时不但可以获得整个天线阵面的增益，而且理想情况下Butler矩阵是无耗的，因此其被广泛应用于多波束天线。在各种类型的Butler矩阵中，微带结构的Butler矩阵因其结构简单、造价低和易于集成等优点而被广泛应用于多波束天线的设计中。但基于微带结构的Butler矩阵具有频带窄的缺点，针对此问题本文研究了宽频带的Butler矩阵，主要内容如下： 首先，概述了基于微带结构宽频Butler矩阵的研究背景和意义，并介绍了目前拓展带宽的方法。 其次，从原理出发根据使用场景的不同给出了多种4×4Butler矩阵，同时介绍了8×8Butler矩阵的简化方案。基于传输线理论分别介绍了展宽耦合器、交叉结和移相器带宽的方法。通过增加分支线耦合器的支节展宽了耦合器的带宽，所得耦合器在所需频带内不但具良好的输出不一致性而且具有稳定的相位输出关系；使用微带环状结构设计出结构对称的交叉结，通过增加交叉结的微带环数量进一步展宽了其带宽，所得交叉结不但具有宽带特性而且还具有插入损耗低和易于加工等优点；使用短路微带加载的方法得到一款结构简单的宽带移相器。通过对Butler矩阵分部件进行理论分析和仿真验证得到了各自的宽带化方案，为设计宽带Butler矩阵奠定了基础。 然后，在所得宽带分部件结构的基础上，从4×4Butler矩阵的ADS原理图分析得到了满足带宽要求的解，并通过全波仿真验证和实物测试得到覆盖1.710~2.690GHz频段、相对带宽达到48.3%的宽带4×4Butler矩阵。该Butler矩阵具有稳定的相位输出关系和一致的传输系数可以满足多波束天线馈电网络的宽带化使用要求。 最后，对全文进行了总结并给出了下一步的工作展望。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容及创新点

1.4 论文的结构安排

第二章 Butler矩阵的工作原理

2.1 2×2 Butler矩阵的原理

2.2 4×4 Butler矩阵的原理

2.3 8×8 Butler矩阵的原理

2.4 本章小结

第三章 Butler矩阵组成部件的宽带化研究

3.1 宽带定向耦合器

3.1.1 定向耦合器的技术指标

3.1.2 定向耦合器的网络分析

3.1.3 微带定向耦合器的奇偶模分析

3.1.4 微带宽带定向耦合器

3.2 宽带交叉结

3.2.1 交叉结的基本理论

3.2.2 微带交叉结的奇偶模分析

3.2.3 宽带微带交叉结

3.3 宽带移相器

3.3.1 移相器基本理论

3.3.2 微带宽带移相器

3.4 本章小结

第四章 宽带Butler矩阵波束形成网络研究

4.1 无交叉结型宽带Butler矩阵

4.1.1 无交叉结型宽带Butler矩阵的仿真设计

4.1.2 无交叉结型宽带Butler矩阵的实物测试

4.1.3 无交叉结型宽带Butler矩阵与天线的联合仿真

4.1.4 无交叉结型宽带Butler矩阵的小型化

4.2 有交叉结型宽带Butler矩阵

4.2.1 有交叉结型宽带Butler矩阵的仿真设计

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果