[论文解读] Optimum Design of a 4x4 Planar Butler Matrix Array for WLAN Application

Wriddhi Bhowmik, Shweta Srivastava|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Microwave Engineering and WaveguidesEngineering参考文献 4被引用 16

一句话总结

本文提出了一种针对5.2 GHz WLAN应用的优化4×4平面Butterfly矩阵阵列，采用FR4基板（εr=4.9，h=1.6mm），实现波束切换智能波束成形系统。该设计集成了微带天线、混合耦合器、交叉耦合器和移相器，通过MATLAB计算与SONNET仿真验证性能，实现有效波束成形，降低多径衰落与干扰。

ABSTRACT

In recent years, high-speed wireless communication is in vogue. In wireless communication systems, multipath fading, delay and interference occurres by reflection or diffraction. In a high-speed wireless communication, it becomes a necessary to separate desired signal from delay or interference signal. Thus to overcome these problems Smart antenna systems have been developed. Basically there are two types of smart antenna systems, one is Switched beam system and another Adaptive array system.This paper presents the optimum design of a 4x4 plannar Butler matrix array as a key component of a switched beam smart antenna system, operating at 5.2 GHz for WLAN with a dielectric substrate, FR4 of er =4.9 and h=1.6mm. Conception details, simulation results and measurements are also given for the components (microstrip antenna, hybrid couplers, cross-coupler, phase shifter) used to implement the matrix. In this dissertation, mathematical calculations for all the components using MATLAB is done and then every individual component is designed using the commercial software SONNET. Then these entire components have been combined on a single substrate and simulated using SONNET.

研究动机与目标

• 解决高速无线通信系统中的多径衰落、延迟与干扰问题。
• 为WLAN环境中的波束切换智能波束成形系统开发一种成本低廉的平面Butterfly矩阵阵列。
• 针对FR4基板上的5.2 GHz工作频段，优化组件设计（天线、耦合器、移相器）。
• 将所有组件集成于单块基板上，并通过仿真与测量验证性能。
• 为802.11a基础的WLAN系统提供一种实用且可扩展的波束成形解决方案。

提出的方法

• 使用MATLAB对Butterfly矩阵所有组件（微带天线、3 dB混合耦合器、交叉耦合器、移相器）进行数学分析。
• 利用商用电磁仿真软件SONNET设计各个组件，实现精确的电磁建模。
• 将所有组件集成于单块FR4基板（εr=4.9，h=1.6mm）上，构成完整的4×4 Butler矩阵阵列。
• 使用SONNET对整个阵列系统进行仿真，评估辐射图、相位响应与波束成形性能。
• 通过仿真结果验证设计，并与波束转向与增益的理论预期进行对比。
• 采用标准微带线理论与阻抗匹配技术，确保信号分配与相位控制的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在低成本FR4基板上，为5.2 GHz WLAN应用最优设计4×4平面Butterfly矩阵？
• RQ2 当在单块基板上仿真与集成时，Butterfly矩阵各组件（混合耦合器、移相器、交叉耦合器）的性能如何？
• RQ3 集成后的Butterfly矩阵在实现精确波束成形方面表现如何，侧瓣电平与相位误差是否最小化？
• RQ4 仿真结果与波束切换与增益的理论预期相比如何？
• RQ5 能否在实际WLAN部署中有效实现一种全平面、低成本的Butterfly矩阵阵列？

主要发现

• 使用SONNET对4×4 Butler矩阵阵列成功完成设计与仿真，证明其在5.2 GHz下具备稳定的波束成形能力。
• 采用FR4基板（εr=4.9，h=1.6mm）实现了成本低廉且可制造的平面化设计，适用于WLAN应用。
• 基于MATLAB的计算确保了组件尺寸的精确性，尤其在移相器与耦合器方面，显著降低了相位误差。
• 仿真结果证实了阵列中相位偏移的一致性，实现了多方向的精确波束转向。
• 集成设计实现了可接受的增益与方向性，侧瓣电平较低，验证了该方法的可行性。
• 实测结果与仿真结果高度一致，证实了基于SONNET的仿真框架在该类阵列中的可靠性。