朱吾颖舒，李彦霏*，关亚林

（中国传媒大学，北京 100024）

1 引言

随着毫米波被正式划分为5G商用频段，毫米波多波束天线因其高增益、高覆盖、低损耗和低成本的特点在5G移动通信应用中有着巨大的潜力。其中无源多波束天线设计和实现方便，被广泛研究。为了获得低损耗、小体积、高品质因数等优点，人们多采用SIW传输线来设计多波束天线。文献[1]介绍了一种用于手机的SIW多波束天线，可以完全嵌合在移动手机当中。文献[2]设计了一款基于4×8 butler矩阵的4波束天线，在4×4 butler矩阵后加了振幅锥形结构，有效地控制了副瓣电平。文献[3]采用了两组正交的锥形激励，第一次实现了二维扫描阵列低副瓣问题。文献[4]设计了可用于一维和二维扫描的改进型butler矩阵，实现了波束形成网络的多维复用。文献[5]创造性地提出平面喇叭BFN，并和漏波天线结合起来，设计了一款二维扫描的平面高增益多波束漏波天线。文献[6][7]通过使用基于SIW的超材料，减小了SIW 传输线纵向尺寸，实现了多波束天线纵向小型化。文献[8]使用折叠C型SIW设计了一款毫米波4波束天线，与传统SIW传输线相比，横向尺寸减小很多，然而纵向尺寸依然较大。本文采用双层SIW 结构，基于4×4 butler矩阵设计了一款可实现4个波束指向的结构紧凑的多波束天线，相比文献[8]，纵向尺寸大大减小。

2 多波束天线的设计

2.1 波束形成网络

（1）4×4 butler矩阵

双层SIW 4×4 butler矩阵如图1所示。

图1 双层butler矩阵

整个结构包含2 个E 面3dB 耦合器、一个H 面3dB 耦合器[9]和两个-45°移相器。E 面3dB 耦合器是双层上下耦合结构，采用在两层介质中间的金属板上开两个对称的长方形槽实现耦合。一半能量从同层直通端输出，另一半能量穿过耦合槽，从耦合端输出，相位比直通端滞后90°，而隔离端无能量输出。所使用的-45°移相器通过改变金属柱的横向偏移量来改变波程，从而使输出端相位比相同长度的标准SIW 传输线输出相位超前45°。H 面3dB 耦合器是单层结构，能量从直通端和耦合端等分输出，同样地，耦合端相位比直通端滞后90°。

整个设计采用Rogers 5880 介质板（相对介电常数为2.2），厚度为0.508mm。Butler 矩阵在27-29GHz内的仿真结果如图2 所示。从图2(a)可以看出，各输入端口的反射系数S11、S22、S33、S44 均在-15dB 以下。图2(b)显示，各端口隔离度在-15dB 以下。图2(c)显示，传输系数大于-7dB。图2(d)显示，port1～port4分别输入时，port5～port8 输出的递进相位差分别为-45°±10°、135°±8°、-135°±8°、45°±10°。

图2 4×4butler矩阵仿真结果

（2）双层转单层结构

由于天线阵最终排列在同一层介质板上，因此需要把butler 矩阵下层的两个端口port6 和port8 转接到上层，并使端口port5～port8 按顺序排列。转接结构如图3 所示，在两层介质的中间横向开一个4.8mm×0.25mm 的槽，从而使得port6 和port8 的信号从下层耦合到上层。

图3 双层转单层结构

加上转换结构后，信号将从两层SIW 结构的输入端传输到一层结构输出端，整个波束形成网络在27-29GHz内的仿真结果如图4所示。

图4 波束形成网络仿真结果

从图4可以看出在整个频段内，整体性能相比加入转接结构之前略有下降。图4(a)和图4(b)显示，反射系数、隔离度均小于-10dB。图4(c)显示，传输系数大于-7dB。图4(d)显示，port1～port4分别输入时，port5～port8输出的递进相位差分别为-45°±13°、135°±12°、-135°±17°、45°±15°。

2.2 缝隙天线阵列

本小节基于缝隙天线阵的基本理论[10]，设计2×4缝隙天线。每个单元由两个宽边纵向开槽的缝隙阵列组成，缝隙间距为λ0/2，在λ0/4 终端处短路。天线阵列单元之间的间距为半波长，如图5 所示。由于下层信号和预期相位有180°相位差，因此对port6 和port8端口后的缝隙天线单元沿单元轴向对称，使缝隙截断相反方向的电流，从而弥补180°相位差。

图5 缝隙天线俯视图

3 多波束天线整体结构与仿真结果

将上述波束形成网络与缝隙天线阵连接到一起，多波束天线整体结构如图6所示。

图6 多波束天线立体图

天线阵使用与波束形成网络相同的介质板，对该多波束天线进行仿真，得到其不同频率下的辐射方向图如图7所示。port1～port4 馈电时，在27GHz、28GHz、29GHz 下，该多波束天线可分别产生（16°、-43°、47.5°、-12.5°），（16°、-40°、46°、-12°），（16°、-42°、45°、-12°）4种波束指向。port1～port4波束指向在三个频点上的误差分别为±0°、±3°、±1.5°、±0.5°。根据阵列天线理论计算的波束指向为14.5°、48.6°、-48.6°和-14.5°。整个天线的物理尺寸为71.8mm×27mm（6.7λ0×2.5λ0），厚度为1.106mm。

图7 多波束天线辐射方向图(Realized Gain)

4 结论

本文基于SIW 结构设计了4×4 巴特勒矩阵，采用缝隙阵列天线作为辐射天线，波束形成网络具有良好的传输系数和隔离度，并可以为天线阵提供满足要求的递进相位差。多波束天线工作在27GHz-29GHz，相对带宽为7%，最大增益为13.29dB，波束扫描角度为±46°，可实现16°、-40°、46°、-12°的4 个波束指向，与理论计算最大偏差为8.6°。