-15
无隔离板
有隔离板
-20
isolation(dB)
-25
-30
-35
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Freq(GHz)
（b）
图
5
（
a
）驻波比曲线（
b
）隔离度曲线
图
6 2.6GHz
水平面方向图
为了保证极化的纯度，提高天线的隔离度，在
辐射贴片下方的功分½络沿着极化方向与探针相
连，如图
4
；为了进一步提高天线的隔离度，在两
单元之间加入横向与纵向的金属隔离板，表
2
为
优化后的隔离片的尺寸。图
5
给出了加入隔离板
前后的隔离度对比图，在没有隔离板的情况下½
然½频段
S
12
½满足要求，½是到高频段曲线上
翘导致最差隔离度仅为
-21dB
。加入隔离板之后，
S
12
曲线有了明显的下移，曲线在
-26dB
以下，满
足设计要求。
表2
隔离片
oy
方向
ox
方向
长度(mm)
41
114
高度（mm）
7
7
天线在微波暗室进行了测试，二元阵列的增益
达到
10dBi
，水平面波束½度满足
65
0
±
5
0
，波束对
称且稳定。图
6
给出了中心频点的方向图，从图中
可以看到垂直面的方向图有一些不对称，这种结果
可½是横向隔离片的加入造成的。
4
总结
本文首先设计了一种½剖面的微带天线单元，
工½在
2500MHz-2690MHz
，天线拥有稳定的波束
½度，交叉极化比大于
20dB
，前后比大于
18dB
。
然后设计了二元天线阵列，制½了实物并进行了测
试，结果表明通过加入隔离板，获得高增益的同时
实现了小型化，对实际起到借鉴½用。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
李世鹤，
TD-SCDMA
第三代移动通信系统标准，北京：人民邮电出版社，
2003.
黄友火，移动基站天线及波束赋½天线研究，西安电子科技大学博士学½论文，
2009.
C. Liu, J.-L. Guo, Y.-H. Huang, and L.-Y. Zhou, “A Novel Dual-Polarized Antenna with High Isolation and Low Cross
Polarization for Wireless Communication”, Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 32, 129-136, 2012.
Huang, Y.-H., Wu, Q., Liu, Q.-Z, “Broadband dual-polarised antenna with high isolation for wireless communication,”
Electron.Lett.,Vol.45,714-715, 2009.
K. L. Wong and J. Y. Sze, “Dual-frequency slotted rectangular microstrip antenna,” Electron. Lett. 34,1368-1370,July9,1988.
½者简介:
刘超
,
男
,
硕士
,
主要从事天线的分析与设计
·
477
·
一种新型½剖面多波束阵列天线的研究
玄晓波
1,2
刘
超
1,2
周小林
1,2
（上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海
200438
）
1
（上海无线电设备研究所，上海
200090
）
2
334132630@qq.com
摘 要：多波束天线在移动通信系统中应用广泛，本文设计了一款适用于
LTE
频段的
butler
矩阵，并基于
½剖面双极化微带天线单元设计了
2
×
8
天线阵列并与矩阵相连，最终制½了高度仅为
15mm
的
8
波束阵列
天线。仿真测试结果证明天线在保持良½特性的同时实现了小型化。
关键词：多波束
½剖面 阵列天线
A Novel Low-profile Multi-beam Antenna Array
Xuan Xiaobo
1,2
Liu Chao
1,2
Zhou Xiaolin
1,2
（
Shanghai Key Laboratory of Electromagnetic Environmental Effects for Aerospace Vehicle
）
1
（
Shanghai wireless equipment Research Institute
，
Shanghai 200090
）
2
Abstract：
Multi-beam antenna has been widely applied in mobile communication system. In this paper, a multi-
beam array consisting of butler matrix and 2
×
8 antennas based on a novel microstrip antenna which suitable for
LTE system is fabricated and measured. It has a thickness of merely 15mm. Experimental results demonstrate that
the antenna can not only meet the high performance, but also has very low profile.
Key words：
multi-beam low profile antenna array
1
引言
随着无线通讯技术的迅猛发展，频谱资源和站
址资源严重匮乏，传统的扩容方式已经没有很½的
效果。因此，在基站天线中采用多波束天线，实现
空分复用和
MIMO
技术结合是解决上述问题的一种
有效途径。
理论研究和实际应用表明阵列多天线½够产生
多波束和½成自适应波束
,
具有空域滤波特性，½够
在码分多址环境下减小同信道干扰和提高抗多径衰
½的½力，同时提高信道容量和频谱利用率
[1-2]
。
2
巴特勒矩阵
巴特勒（
Butler
）矩阵可以实现多波束天线。
这种馈电½络由一系列耦合器、混合电路合成器和
移相器相互连接而成。它有
N
个输入端口和
N
个
输出端口（
N=2
n
, n=1,2,3……
）
N
个输出端口给平
，
面阵的每个单元天线提供渐进馈电相½（如图
1
）
。
对于巴特勒矩阵的不同输入端口，输出端口提供对
应不同波束指向的波束馈电相½。于是巴特勒矩阵
馈电阵列天线具有
N
个不同指向的波束
[3]
。每个波
束均利用整个天线阵面的有效口径，因而天线的波
束可以锐化并可利用整个阵面的天线增益，是一种
无损的多波束½成方法。
本项研究工½得到了上海市科学技术委员会的资助，资助课题编号为
11DZ2260800
·
478
·
图
2
表
1
图
1
上图给出了½成
8
波束所需的
butler
矩阵½
络，他由
16
个
3dB
电桥以及一些移相器组成。电
桥为了适应½剖面的要求，½用微带板进行设计，
为了方便设计与加工，将½络分为两个
4×4
矩阵以
及
4
个小电桥模块。每个
4×4
矩阵由四个电桥与移
相器组成，移相器通过不同线长的微带线来实现，
在
Ansoft HFSS
中仿真了有交叉与无交叉两种矩阵
模式，建模如图
2
。在有交叉的设计中，输入输出
端口½½明确，仅在交叉部½½用过渡桥将微带线
错开，分布在介质板的两面。而另一种设计则解决
了交叉的难题，½是改变了输入输出端口的½½。
两者在仿真环境中性½接近，½是加工后对比发
现，有交叉的矩阵由于一些无法避免的人工原因产
生较大的相½误差，因此选取无交叉模型½为
4×4
矩阵的原型。
表2
2.6(GHz)
port1
port 2
port 3
port 4
port 5
96.6°
10.6°
75.4°
-11.4°
port 6
6.6°
-79.1°
165.5°
77.4°
port 7
74.6°
167.9°
-37.2°
56.75°
port 8
-16.3°
78.3°
52.1°
143.35°
最大相差
0.5°
0.5°
0.8°
2.85°
采用介电常数为
6.15
的
Taconic RT-60
板材，
厚 度 为
1.524mm
， 该
4×4
矩 阵 的 整 ½ 尺 寸 为
90mm×75mm
，制½了实物并对相½进行了测试。
其中
port1
、
port2
、
port3
、
port4
为输入端口，
port5
、
port6
、
port7
、
port8
为输出端口。其标准的
相½关系如表
1
所示，表
2
给出了中心频点对应的
相½输入输出的实测值，测试表明矩阵相½的最大
误差仅为
2.85°
，满足指标要求。由两个
4×4
巴特
勒矩阵及
4
个
90°
电桥组成一个
8×8
巴特勒矩阵，
电桥与
4×4
巴特勒矩阵的各端口之间采用直径为
2.2mm
的同½电缆线连接，如图
3
所示。
图
3
·
479
·
3
多波束天线
利用
[4]
中高度仅为
8mm
的双极化天线单元：
双层辐射贴片采用同½馈电，在工½频段内端口驻
波比参数
VSWR
＜
2
，隔离度小于
-26dB
，二元阵列
增益为
10dBi
。以此为基础在
HFSS
中设计了
2×8
0
阵列天线，
±
45
线极化共有
16
个端口。为了接近天
线的实际情况，在仿真环境中加入天线½并按照实
际地板尺寸进行仿真。图
4
为天线阵列的
3D
仿真
模型，图
5
为制½的天线阵列实物。
isolation(dB)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
2.4
s12
s13
s14
s15
s16
s17
s18
2.5
2.6
Freq(GHz)
2.7
2.8
图
7
某一极化
S
1n
参数曲线
将天线与
8×8
的
butler
矩阵结合，天线整½高
度不超过
15mm
。
图
6
与图
7
为测试的某一极化
8
个端口的驻
波参数与
S
1n
参数，各端口驻波比系数小于
2
，最
差为
1.8
，
S
1
n
≤ −
20
dB
。各波束指向示意图如图
8
所示，远场的测试参数如表
3
所示，其中端口与
图
1
中保持一致。从表中可以看出，测试结果与
理论结果相符，中间波束增益达到
16.6dBi
。满足
指标要求。测试的增益与仿真值相比偏½，主要
是由于众多同½线的线损，以及高介电常数的介
质损耗导致。
0
20
330
30
图
4
图
5
10
300
60
0
2.0
VSWR
port1
port2
port3
port4
port5
port6
port7
port8
-10
-20
-10
270
90
0
10
20
240
120
1.5
210
180
150
图8
1.0
2.4
表3
2.5
2.6
Freq(GHz)
2.7
2.8
图
6
某一极化驻波参数
·
480
·
4
总结
本文主要设计了一款适应½剖面要求的
8×8
巴
特勒多波束½络，通过旋½端口½½解决了微带线
的交叉问题。利用已设计½的½剖面天线单元进行
阵列设计，仿真了一个
2×8
阵列。最后将天线阵列
与矩阵½络合成，加工制½了实物并进行了测试。
测试结果表明天线中间波束的增益达到
16.6dBi
，
可以应用到实际中去。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
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1994, 77(2):48-59.
Butler J, Lowe R. Beam forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas. Electronic Design April 12, 1961,
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林守远
. Butler
阵的幅度加权
[J].
现代雷达
,1997,19(3):51-59.
刘超
,
玄晓波
,
周小林
.
一种新型的½剖面高隔离度基站天线
.
待½
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481
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