基于4×4巴特勒矩陣的雙層SIW毫米波多波束天線

朱吾穎舒，李彥霏*，關(guān)亞林

（中國傳媒大學(xué)，北京 100024）

1 引言

隨著毫米波被正式劃分為5G商用頻段，毫米波多波束天線因其高增益、高覆蓋、低損耗和低成本的特點(diǎn)在5G移動通信應(yīng)用中有著巨大的潛力。其中無源多波束天線設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方便，被廣泛研究。為了獲得低損耗、小體積、高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，人們多采用SIW傳輸線來設(shè)計(jì)多波束天線。文獻(xiàn)[1]介紹了一種用于手機(jī)的SIW多波束天線，可以完全嵌合在移動手機(jī)當(dāng)中。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一款基于4×8 butler矩陣的4波束天線，在4×4 butler矩陣后加了振幅錐形結(jié)構(gòu)，有效地控制了副瓣電平。文獻(xiàn)[3]采用了兩組正交的錐形激勵，第一次實(shí)現(xiàn)了二維掃描陣列低副瓣問題。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了可用于一維和二維掃描的改進(jìn)型butler矩陣，實(shí)現(xiàn)了波束形成網(wǎng)絡(luò)的多維復(fù)用。文獻(xiàn)[5]創(chuàng)造性地提出平面喇叭BFN，并和漏波天線結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一款二維掃描的平面高增益多波束漏波天線。文獻(xiàn)[6][7]通過使用基于SIW的超材料，減小了SIW 傳輸線縱向尺寸，實(shí)現(xiàn)了多波束天線縱向小型化。文獻(xiàn)[8]使用折疊C型SIW設(shè)計(jì)了一款毫米波4波束天線，與傳統(tǒng)SIW傳輸線相比，橫向尺寸減小很多，然而縱向尺寸依然較大。本文采用雙層SIW 結(jié)構(gòu)，基于4×4 butler矩陣設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束指向的結(jié)構(gòu)緊湊的多波束天線，相比文獻(xiàn)[8]，縱向尺寸大大減小。

2 多波束天線的設(shè)計(jì)

2.1 波束形成網(wǎng)絡(luò)

（1）4×4 butler矩陣

雙層SIW 4×4 butler矩陣如圖1所示。

圖1 雙層butler矩陣

整個(gè)結(jié)構(gòu)包含2 個(gè)E 面3dB 耦合器、一個(gè)H 面3dB 耦合器[9]和兩個(gè)-45°移相器。E 面3dB 耦合器是雙層上下耦合結(jié)構(gòu)，采用在兩層介質(zhì)中間的金屬板上開兩個(gè)對稱的長方形槽實(shí)現(xiàn)耦合。一半能量從同層直通端輸出，另一半能量穿過耦合槽，從耦合端輸出，相位比直通端滯后90°，而隔離端無能量輸出。所使用的-45°移相器通過改變金屬柱的橫向偏移量來改變波程，從而使輸出端相位比相同長度的標(biāo)準(zhǔn)SIW 傳輸線輸出相位超前45°。H 面3dB 耦合器是單層結(jié)構(gòu)，能量從直通端和耦合端等分輸出，同樣地，耦合端相位比直通端滯后90°。

整個(gè)設(shè)計(jì)采用Rogers 5880 介質(zhì)板（相對介電常數(shù)為2.2），厚度為0.508mm。Butler 矩陣在27-29GHz內(nèi)的仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖2(a)可以看出，各輸入端口的反射系數(shù)S11、S22、S33、S44 均在-15dB 以下。圖2(b)顯示，各端口隔離度在-15dB 以下。圖2(c)顯示，傳輸系數(shù)大于-7dB。圖2(d)顯示，port1～port4分別輸入時(shí)，port5～port8 輸出的遞進(jìn)相位差分別為-45°±10°、135°±8°、-135°±8°、45°±10°。

圖2 4×4butler矩陣仿真結(jié)果

（2）雙層轉(zhuǎn)單層結(jié)構(gòu)

由于天線陣最終排列在同一層介質(zhì)板上，因此需要把butler 矩陣下層的兩個(gè)端口port6 和port8 轉(zhuǎn)接到上層，并使端口port5～port8 按順序排列。轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)如圖3 所示，在兩層介質(zhì)的中間橫向開一個(gè)4.8mm×0.25mm 的槽，從而使得port6 和port8 的信號從下層耦合到上層。

圖3 雙層轉(zhuǎn)單層結(jié)構(gòu)

加上轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)后，信號將從兩層SIW 結(jié)構(gòu)的輸入端傳輸?shù)揭粚咏Y(jié)構(gòu)輸出端，整個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)在27-29GHz內(nèi)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 波束形成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

從圖4可以看出在整個(gè)頻段內(nèi)，整體性能相比加入轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)之前略有下降。圖4(a)和圖4(b)顯示，反射系數(shù)、隔離度均小于-10dB。圖4(c)顯示，傳輸系數(shù)大于-7dB。圖4(d)顯示，port1～port4分別輸入時(shí)，port5～port8輸出的遞進(jìn)相位差分別為-45°±13°、135°±12°、-135°±17°、45°±15°。

2.2 縫隙天線陣列

本小節(jié)基于縫隙天線陣的基本理論[10]，設(shè)計(jì)2×4縫隙天線。每個(gè)單元由兩個(gè)寬邊縱向開槽的縫隙陣列組成，縫隙間距為λ0/2，在λ0/4 終端處短路。天線陣列單元之間的間距為半波長，如圖5 所示。由于下層信號和預(yù)期相位有180°相位差，因此對port6 和port8端口后的縫隙天線單元沿單元軸向?qū)ΨQ，使縫隙截?cái)嘞喾捶较虻碾娏?，從而彌補(bǔ)180°相位差。

圖5 縫隙天線俯視圖

3 多波束天線整體結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

將上述波束形成網(wǎng)絡(luò)與縫隙天線陣連接到一起，多波束天線整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 多波束天線立體圖

天線陣使用與波束形成網(wǎng)絡(luò)相同的介質(zhì)板，對該多波束天線進(jìn)行仿真，得到其不同頻率下的輻射方向圖如圖7所示。port1～port4 饋電時(shí)，在27GHz、28GHz、29GHz 下，該多波束天線可分別產(chǎn)生（16°、-43°、47.5°、-12.5°），（16°、-40°、46°、-12°），（16°、-42°、45°、-12°）4種波束指向。port1～port4波束指向在三個(gè)頻點(diǎn)上的誤差分別為±0°、±3°、±1.5°、±0.5°。根據(jù)陣列天線理論計(jì)算的波束指向?yàn)?4.5°、48.6°、-48.6°和-14.5°。整個(gè)天線的物理尺寸為71.8mm×27mm（6.7λ0×2.5λ0），厚度為1.106mm。

圖7 多波束天線輻射方向圖(Realized Gain)

4 結(jié)論

本文基于SIW 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了4×4 巴特勒矩陣，采用縫隙陣列天線作為輻射天線，波束形成網(wǎng)絡(luò)具有良好的傳輸系數(shù)和隔離度，并可以為天線陣提供滿足要求的遞進(jìn)相位差。多波束天線工作在27GHz-29GHz，相對帶寬為7%，最大增益為13.29dB，波束掃描角度為±46°，可實(shí)現(xiàn)16°、-40°、46°、-12°的4 個(gè)波束指向，與理論計(jì)算最大偏差為8.6°。