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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

天线作为一种重要的前端器件，对于任何无线通信系统来说都是必要的。对于传统的天线来说，只要经过设计、加工、安装等一系列步骤之后，它的辐射特性、电磁参数就能够确定下来了。而随着时代的发展，人们对无线通信技术的要求越来越高，希望可以用一个天线来实现多个天线的功能。在这样的需求下，波束扫描天线就自然而然的出现了，波束扫描天线主要以相控阵天线和频扫天线为代表。随着频率的改变，天线的波束方向也会相应的发生改变，这样就可以实现波束扫描。其中多波束天线在工程上备受瞩目，它可以在射频端实现波束合成。多波束天线主要是利用几个固定的、具有高增益的窄波束覆盖所需空间，并根据来波的方向以及某些特定的准则，从而实现波束指向的选择，相比于其他波束扫描天线来说更加容易实现，而且它的成本低，可以有效解决现有系统容量的扩充问题，对于现有通信系统的升级来说也非常方便。而对于主要由波束形成网络、天线阵等组成的多波束天线来说，波束形成网络是其中的关键技术。波束形成网络，简而言之就是天线阵的馈电网络，它可以通过控制天线阵输入端口的相位分布来实现不同指向的波束。Butler矩阵是一种目前广泛应用于多波束天线的馈电网络，它相比于其他波束切换方法具有很多的优势。其一，Butler矩阵的结构原理比较简单，在实现的时候比较方便；其二，Butler矩阵易于实现双频段和宽带。由于Butler矩阵主要由耦合器和移相器构成，我们只要实现了耦合器和移相器的双频段和宽带，就能够实现Butler矩阵的双频段和宽带结构；最后，在理想情况下，Bulter矩阵是无损增益的，也就是说，由它形成的每个波束都可以获得整个天线提供的增益，并且所形成的多波束是正交的，同时制作较为简单，可以通过传输线结构实现，成本较低。综上所述，采用Bulter矩阵作为波束扫描天线的馈电网络具有很大的发展前景和研究意义。

国内外研究现状

1961年，Jesse Butler和Ralph Lowe首先提出了Butler矩阵。此后，Butler矩阵由于其结构的简单性和设计的灵活性受到了广大工程师的热爱。所以在国内外很多科技文献中都对Butler矩阵的设计和优化进行了介绍。目前Butler矩阵的实现方案主要有共面波导Butler矩阵、多层微带Butler矩阵、单层微带Bulter矩阵、悬置带状线Butler矩阵等。现在国内外对于Butler矩阵的研究主要把实现易集成、宽带、小型化、可形成多个波束等作为研究重点。2007年S.Z.I brahim等人设计了采用了单层板结构的微带Butler矩阵，该Butler矩阵主要用于WLAN，输出端 口的传输系数为-7.2dB~8.4dB，S参数损耗有点大。2008年George Tudosie、Ruediger Vahldieck和Albert Lu提出了采用低温共烧陶瓷为基板的Butler矩阵，表明了介电常数较高的介质材料也可以在一定程度上减小Butler矩阵的尺寸。2009年Muhammad Mahfuzul Alam等人设计了用于WiFi系统的微带Butler矩阵，该Butler矩阵也采用了单层板结构。西安电子科技大学的赵兵等人设计了x波段微带Butler矩阵，将1端口作为输入端口时，输出端口的传输系数的仿真值大于-7.25dB。2010年Tarek Djerafi等人设计制作了在11GHZ~14GHZ频率范围内的宽带Butler矩阵，该平面Butler矩阵采用介质集成波导技术，插入损耗较小。2011年Berke Cetinoneri等人采用CMOS技术实现了小型化Butler矩阵，该矩阵在5GHZ~6GHZ范围内，各输入端口间的隔离度小于-16dB。2012年T Djerafi、J Gauthier以及K Wu实现了Butler矩阵基于波导的幅度加权，他们主要是采用了在波导中加载不同的圆柱短棒阵列的方法。

2. 研究的基本内容

为了实现天线的波束扫描，本文在分析了Butler馈电网络相比于其他波束切换方法所具有的优势后，设计了一个四端口Butler矩阵。首先阐述了Butler矩阵实现波束切换的基本原理，并给出了波束指向的推导公式。然后从基础组成器件出发，利用奇偶模分析法对定向耦合器进行分析并求解出其S矩阵，总结出它在幅度、相位分布上的特点，然后设计了工作于5.8GHZ的3dB定向耦合器，并利用ADS软件进行仿真，然后在CST软件中进行优化，最后在HFSS软件中进行验证。再设计出满足需要的0dB定向耦合器并在HFSS软件中进行仿真。最后利用已经设计好的元件搭建出等幅分布的四端口Butler矩阵并进行仿真，然后有针对性的进行微调和优化，使得该馈电网络基本能够实现四端口等幅输出、相邻端口之间有相同的相位延迟或超前的要求。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

首先熟练掌握butler矩阵实现波束扫描的基本原理，再而掌握ads、hfss等软件的使用，最后研究探索出butler矩阵各组成部件的设计，然后组建出butler矩阵的模型，并作出清晰、明确的仿真效果。

进度：

4. 参考文献

[1]魏峰,史小卫,陈蕾等.一种改进型微带线定向耦合器及其应用[j].西安电子科技大学学报(自然科学版),2009,36(2):28-284.

[2]张熙瑜,杨峰,聂在平等.一种八单元圆环阵实现多波束的方法[j].电子科技大学学报,2002,31(5):465-469.

[3]高雪,胡鸿飞,傅德民.四波束切换天线的分析与设计[j].电子学报.2003