基于Butler矩阵的回溯天线阵研究

作     者：杜佑麟 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖丹

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：Butler矩阵 方向回溯天线 多波束天线 天线阵 雷达散射截面 

摘      要：随着现代科学技术的发展,天线的使用场景越来越复杂。由于对天线的性能出现了各方面的需求,于是各种新颖的天线技术被提出。而智能天线中的方向回溯天线是研究热点之一,它可以在不知道来波方向的情况下,使得回传信号自动指向来波方向。方向回溯天线一般采用相位共轭原理实现,由于具备了高速跟踪能力和性价比高等优点,在信息通讯与雷达等应用领域中被普遍采用。尽管方向回溯天线具有这些优点,可是目前的方向回溯阵列的实现,大都是使用角反射器、Van Atta天线阵、混频电路、锁相环、数字电路。而本文中基于Butler矩阵设计和制作了一种方向回溯天线系统,并且可以利用控制电路对其回溯效果进行控制。本文的主要内容如下:（1）列举了现有的方向回溯阵列,并从原理上分析了每种方向回溯阵列的优势。然后分析了Butler矩阵的研究现状和现有实现形式,随后对Butler矩阵的设计原理进行了简要的阐述,并介绍了一种基于Rotman透镜的方向回溯阵列,为使用Butler矩阵设计方向回溯阵列提供参考。（2）设计了一款使用于X波段的Butler矩阵:在先进设计系统软件中先搭建其原理图模型,初步验证其性能,随后在HFSS中对其结构进一步优化。设计时,分别对定向耦合器、交叉结、移相器进行原理分析并对其结构进行设计优化。最后对其整体结构进行设计,通过全波电磁仿真软件,得到最终的结构尺寸。文中设计了无交叉结Butler矩阵和普通Butler矩阵两种结构,在9.8GHz～10.2GHz工作带宽中,两种Butler矩阵结构均能满足设计要求。最后从信号的相位变化上分析了利用Butler矩阵实现方向回溯阵列的可能性。（3）设计了两种微带天线阵。当对其内部结构加以完善后,分别结合Butler矩阵形成完整的方向回溯天线系统。对整个系统进行了全波电磁仿真,并首先验证了系统用作多波束天线时的性能,然后又测试了当平面波从不同方向入射时,该系统的方向回溯性能。并对不同情况下天线阵的雷达散射截面（Radar Cross Section,RCS）进行了对比。因为RCS可以表征系统的散射状况,故对比使用馈电网络前后天线阵在入射方向的RCS值可验证其方向回溯性能。最后给所设计的方向回溯阵列加上了控制电路,以便根据需求对其RCS值进行调整。