[发明专利]一种具有非2n

说明书

本发明公开了一种设计具有非2ⁿ个波束的Butler矩阵的方法。该方法基于快速傅里叶变换(FFT)，利用具有非2ⁿ个点数的FFT的拓扑结构，将拓扑结构中的蝶形结构由定向耦合器替换得到具有相同波束个数的Butler矩阵的网络结构，设各个定向耦合器的幅度相位为未知数，写出该网络的传输矩阵。再根据相应波束个数的天线阵列方向图强度方程得到目标矩阵。利用网络的传输矩阵与目标矩阵相等求解方程，得到各个定向耦合器的幅度和相位关系。定向耦合器采用任意相位差耦合器或者正交耦合器以及移项器或者0°/180°耦合器以及移相器。该设计方法具有物理意义，较其他波束形成网络的算法需要更少的耦合器，且算法简单，具有普适性。

技术领域

本发明涉及多波束馈电网络、多波束天线领域，特别是一种具有非2ⁿ关系的Butler矩阵的设计方法。

背景技术

多波束天线是指可以利用单个口径在不同方向形成多个波束的天线。它除了能够有效的减小体积，降低成本外，还能实现宽角度的覆盖，是无线通信和现代雷达中的关键技术，具有十分广泛的应用前景。

多波束天线的核心是其波束形成网络。各国学者已经基于不同的原理实现了多种不同类型的多波束天线。根据实现原理不同，大体上可分为两类。一类是基于准光技术，利用反射面或透镜，在不同方位放置不同的馈源来形成多波束，该类多波束天线具有带宽宽，波束个数可调的优点，但是反射面或透镜的尺寸比较大、不方便安装和集成，端口间隔离度较差，限制了它们的应用；另一类是基于电路形式的馈电网络。随着微波集成工艺的迅速发展，电路形式的波束形成网络越来越受到各国学者的重视，其中Butler矩阵是一个重要的实现形式。相比于反射面、透镜多波束天线，Butler矩阵具有剖面低，重量轻，便于与射频电路集成的优势；而相比于Nolen矩阵、Blass矩阵等其他也可以用电路形式实现的波束形成网络，Butler矩阵的结构更为均衡，并且波束之间具有正交性，波束成形算法简单，系统的结构复杂度和制造成本较低，可以直接替代现行移动通信系统的分集系统，实现更新换代，基于此美国铱星(Irdium)系统采用的就是Butler矩阵构成的波束形成网络。

经典的Butler矩阵只能实现2×2，4×4等具有2ⁿ关系的波束，使得Butler矩阵在使用中受到很大的限制，缺乏灵活性。比如在无线蜂窝基站应用中，基站更需要将周围空间划分成3个区或者6个区的多波束天线，相应的波数宽度需要65°或者33°，而目前的Butler矩阵无法做到这一点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有非2ⁿ关系的Butler矩阵的设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有非2ⁿ关系的Butler矩阵的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、利用具有非2ⁿ个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2ⁿ关系的Butler矩阵的网络结构；

步骤2、根据得到的非2ⁿ关系的Butler矩阵的网络结构，确定该网络的传输矩阵，即为待求解矩阵；

步骤3、确定Butler矩阵的目标矩阵；

步骤4、根据网络的传输矩阵与Butler矩阵的目标矩阵确定各个任意相位差耦合器的幅度和相位关系式；

步骤5、根据上述任意相位差耦合器的幅度和相位关系确定Butler矩阵中所用器件，并将所述器件按照所述Butler矩阵的网络结构连接，完成Butler矩阵的设计。

进一步地，步骤1中利用具有非2ⁿ个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2ⁿ关系的Butler矩阵的网络结构具体为：