X波段Butler矩阵的研究

【摘要】随着通信技术的高速发展,多波束天线较为简单的实现和准确的指向使其在雷达和通信系统中扮演着越来越重要的角色。多波束天线的核心在于波束形成网络,而作为多波束天线两大电路馈电网络之一的Butler矩阵,在理想情况下是无损增益。由于Butler矩阵自身结构无耗、制作灵活、带宽宽等优点,具有很大的应用前景。X波段的雷达和通信系统应用广泛,但关于X波段Butler矩阵的研究并不多。本文是基于X波段雷达通信系统的应用背景,分别从X波段4×4Butler矩阵的宽带和小型化两方面进行了研究分析。4×4Butler矩阵由3dB定向耦合器和45。移相器组成,矩阵的带宽特性由定向耦合器和移相器决定。在宽带Butler矩阵实现中,本文采用多节矩形槽结构实现宽带3dB定向耦合器,此处所提到的槽结构是上下两条传输线通过在中间地层开槽所形成的结构,此结构可以实现宽边耦合并获得强耦合度,基于这种结构并利用多节进一步拓展定向耦合器的带宽,在形状上使用矩形槽替代传统的椭圆和菱形,使设计和加工更为简单；本文同样采用矩形槽结构实现宽带450移相器,借鉴于Schiffman差分移相器,此宽带移相器同样需要一条作为对比的传输线,利用这种槽结构的固定差分移相器可获得宽带宽。而在单层结构中较为复杂的crossover问题,由于此结构的多层金属特性,无需额外器件的等效,利用不同金属层的传输线大大简化了此问题。在X波段Butler矩阵的小型化中,本文在IPD(IntegratedPassiveDevice)技术上利用集总参数实现矩阵的小型化,此处的IPD技术是基于高阻性硅的铜工艺。首先使用集总元件构成Butler矩阵的原理图,传统分支线耦合器的每一条臂分别等效为不同值的π网络,构成集总参数的3dB定向耦合器；移相器同样使用π网络实现45。的相移特性；其中的交叉结构由于IPD的多层金属特性,使用不同金属层的连接线即可解决。基于IPD技术上的布局图,由于各集总元件之间、元件与线路之间的互感和其自身的寄生效应等原因,需要加入串联电感和并联电容对其进行优化调试得出最终布局图。在研究过程中,使用HFSS和ADS对Butler矩阵进行了仿真和优化,通过对实物的测量和不同仿真软件的验证,证明了设计方法的有效性。
【作者】宁璐；
【导师】孙利国；
【作者基本信息】中国科学技术大学，电磁场与微波技术，2014，硕士
【关键词】X波段；宽带Butler矩阵；小型化Butler矩阵；

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