六端口Butler矩阵馈电双极化多波束天线阵列.pdf
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1、,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 Ante
2、nna 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
3、.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 sid
4、elobe;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
5、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
6、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
7、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
8、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-
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
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