基于巴特勒矩阵网络的圆极化波束控制天线阵列外文翻译资料

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毕业论文(设计)

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题目 基于巴特勒矩阵网络的圆极化波束控制天线阵列

基于巴特勒矩阵网络的圆极化波束控制天线阵列

作者：Changrong Liu, Shaoqiu Xiao, Member, IEEE, Yong-Xin Guo,Senior Member, IEEE, Ming-Chun Tang, Yan-Ying Bai, and Bing-Zhong Wang, Member ,IEEE

摘要:在这篇论文中，设计并通过实验论证了一种基于巴特勒矩阵的圆极化波束切换微带天线阵列。利用合适的旋转技术，圆极化辐射可以改善波束转向。而且，这项技术可以增加其扫描角内的轴比带宽。测量数据显示，当主要的波束阵列扫描不同方向时，该阵列在5.75—6.2Hz范围内有一定的阻抗以及轴比带宽。我们观察到，模拟数据和实际测量数据达成了很好的一致性。

关键字:天线阵列 光束控制 巴特勒矩阵 圆极化 旋转技术

1. 介绍

波束切换天线阵列在无线通信领域受到了极大的关注，因为它们是一种在微波和毫米波范围内发展智能天线系统的具有成本效益的途径。由于其简单性和易制造性，巴特勒矩阵在波束切换系统中得到了广泛的应用。

另一方面，圆偏振特别适用于视距连接并且可以减少多路效应。进一步说，考虑到无线接入的应用，波束切换圆极化的性能对于无线通信来说是十分理想的。在参考文献【9】中提出了一种低成本毫米波光束控制的圆极化可重构光栅天线，它有超过的圆极化光束转向与低轴向比扫描角度。在参考文献【10】中，一种在圆极化场只使用旋转圆盘的全机械式反射阵列，在光束超过时，是从侧面扫描的。在参考文献【11】中，提出了由电介质透镜构成的可操纵的波束天线的新概念，全方位的光束从到，扫描损耗在1.1dB以下，辐射效率高于95%。在参考文献【12】中，提出了谐振频率为61GHz、方向性为14dB且半功率波数宽度为的圆偏振光束控制天线。而且辐射模式可以控制在到。至于传统的圆极化光束控制微带天线阵列，当扫描角度远离宽边时，其轴向比会退化【13】。对于一个典型的圆极化天线阵列，连续旋转技术被广泛应用于获取良好的圆极化辐射并且可以增大其轴向比带宽【14】—【16】。

在这篇文章中，我们提出一种由图1所示的的二维巴特勒矩阵馈电的低成本低型波束切换圆极化微带天线阵。利用合适的旋转技术，可以增加其扫描角内的轴向比带宽。其作用范围为到。相比于参考文献【13】中所描述的，该阵列通过扫描角获得了更好的AR性能。巴特勒矩阵使用了希夫曼相移器来增大相位差的带宽【17】—【19】。

图1：提出的波束切换天线阵列

1. 巴特勒矩阵
2. 圆极化天线阵列
3. 巴特勒矩阵及天线的设计

该波束切换天线阵列是由一个巴特勒矩阵和一个圆极化微带天线阵列组成的。该可切换阵列是在一种厚度为20毫米的Rogers5880基质（相对介电常数，损耗角）上制备的。

如图1（a）所示，所用的巴特勒矩阵包含了四个的耦合器，两个分频器和四个希夫曼相移器。其中分频器是由两个的耦合器通过两个特性阻抗为、长度为的四分之一波长的微带线构成的。希夫曼相移器是用来增强相位差带宽以精确在宽带带宽上的波束控制。

图1（b）展示了该圆极化天线阵列 。该数组元素是由一条微带线所馈送的右旋圆极化微带天线。该微带的尺寸是。两个相邻的微带天线的中心距离是（谐振频率在6GHz处）。在这个阵列中，当扫描角远离宽边时，为了提高AR的性能，将元素2和4逆时针旋转。各贴片的相位分别是和。微带元素1和2以及3和4之间的的相位差可以通过调整从巴特勒矩阵的输出到天线馈电点之间微带线的长度来实现。

该巴特勒矩阵的传输系数和回波损耗是通过软件Ansoft HFSS模拟的，结果展示在图2中。

从图2（a）和（b）中，我们可以发现传输幅度中的最大色散小于1dB，在5.8-6.4GHz频率范围内的平均值为6.5dB。从图2（c）中可以看出，一个良好的移相带宽可以通过宽带希夫曼相移器获得，且模拟相位差中的最大色散小于。

如图3所示，该天线元件的模拟阻抗带宽覆盖了5.98-6.105GHz的频率范围，,轴向比带宽覆盖了6.022-6.056GHz的频率范围，。在6.04GHz处的模拟峰值增益为7.8dB。该元件3dB的增益带宽在5.925-6.183GHz的频率范围内。

图2：巴特勒矩阵的模拟数据

1. 使用端口1时的传递系数
2. 使用端口2时的传递系数
3. 使用端口1和2时巴特勒矩阵的输出的相移

图3：圆极化微带天线元素的模拟回波损耗及轴向比

1. 实验结果

我们制作并测量的这种天线阵列是为了验证该设计方法。图4展示了一张制作波束切换天线的照片。回波损耗是由AgilentE8363B 矢量网络分析仪分析得出的。由于该阵列是近似对称的。图5中展示了我们测出的及仿真的端口1和端口2的回波损失。测量结果与仿真数据基本吻合，除了有一个小的频移。从测量结果中，我们可以得到一个在5.75-6.35GHz频率范围内的良好的阻抗带宽。

该阵列的辐射模式是在位于中国成都的中国电子科技大学的一个消声室中测量的，并利用了如图6所示的天线测量系统。图7（a）和（b）展示了在6.03GHz下的测量和模拟辐射模式，这表明了从端口1输入时的光束方向为，从端口2输入时的光束方向为。在图7（a）中，从端口1输入时，主波束的一点位移可能是由错误的相位差所导致的。两种情况下的极化隔离都超过了18dB。如图7所示，右旋圆极化微带天线在两种状态下的旁瓣电平都大约-10dB。当主波束在的方向时，处的交叉极化不良会更显著。这可以通过统一的输入振幅来克服。

图8展示了在不同的输入端口下的测量增益和轴向比是随着频率变化而变化的。测量数据显示，当对端口1输入时，好的轴向比带宽覆盖了5.75-6.2GHz的频率范围，；当从端口2输入时，测到的轴向比带宽的频率范围是5.7-6.25GHz。在6.03GHz处，从端口1和端口2激励的该阵列分别传输系数分别为9.8dB和8.7dB。测量增益和仿真增益间的误差可能是由失配误差和测量误差所导致的。还有巴特勒矩阵输出幅度的不平衡以及AR特性对天线增益的影响。从测量数据来看，当对端口1和端口2进行单独分开的激励时，在5.75-6.2GHz的频率范围下容易获得较好的AR带宽。当对端口1和端口2分别进行激励时，该阵列的3dB增益带宽分别是在5.87-6.14GHz和5.85-6.28GHz的频率范围内。注意旋转技术提高了阻抗和AR带宽。当阵列的3dB增益带宽与元件的相似，可以通过改变元件的宽带3dB增益带宽来克服。

图4：装配式波束天线的照片 图6：在消声室可切换波束天线的照片

图5：该可切换天线的测量的及模拟的回波损失

(a)：对端口1输入时的回波损失

(b)：对端口2输入时的回波损失

图7：在6.03GHz处右旋及左旋圆极化的测 量及模拟的辐射模式： (a):当对端口1输入且主光束在时

(b): 当对端口2输入且主光束在时

图8:该可切换波束天线的测量和模拟增益及轴向比

1. ：当对端口1输入时的增益和轴向比
2. ：当对端口2输入时的增益和轴向比
3. 结论

利用合适的旋转技术，可以设计并制造出一个基于巴特勒矩阵网络的平面圆极化光束控制天线阵列，该天线阵列可用于无线通信。这种旋转技术增大了该阵列的阻抗和带宽。另外，当扫描角远离宽边时，这种类型的光束控制阵列可以获得良好的圆偏振辐射。

参考文献（略）

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