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多波束天线在通信系统中得到了非常广泛的应用，而双频、双极化是其重要的研究方向之一。本文基于传统平面电路工艺加工技术，以C波段无线通信为应用背景，对双频双极化多波束天线系统中的关键技术进行深入系统研究，具体研究内容包括:
1.提出并研制了一种单层微带宽带Butler矩阵结构。在三线宽带耦合器中加载集总分布元件，使得耦合器的尺寸接近减小一半;采用多个U型耦合线代替Schiffman移相器中的单个U型耦合线，可在较宽频带范围内获得良好的传输、相位特性。仿真和测试结果表明该Butler矩阵可实现20％的相对带宽。
2.采用悬置带线设计Butler矩阵的定向耦合器、交叉结和Schiffman移相器，对双面耦合定向耦合器和双面交叉结进行电容加载，实现相速度补偿，从而使得耦合器和交叉结具有良好的宽带性能。仿真和测试结果表明该Butler矩阵在50％的带宽内损耗小和端口一致性好，且具有尺寸紧凑和加工方便等优点。
3.提出了一种微带馈电双频双极化的矩形贴片天线。在矩形贴片加载标语牌形槽，选择在适当的馈入点用单根微带线进行馈电，激励起的TM01模和TM10模分别工作在两个谐振频点，同时引入两个切角来调节交叉极化电平且基本不影响谐振频率。该天线单元具有交叉极化小、频率比(FR)调节方便且可调范围宽、结构紧凑和方便应用于天线阵等优点。
4.在双重特性谐振(DBR)滤波器的基础上，对高隔离度双工器进行研究，分别引入缺陷地结构(DGS)、螺旋型紧致微带谐振单元(SCMRC)和双频分支线(DBS)，在不增加原有尺寸的基础上，进一步抑制上寄生通带，进而提高了上阻带抑制度。仿真和测试结果表明本文所研制的三种双工器的隔离度大于65dB，插损小于1.3dB。
5.提出了一种折叠的阶梯阻抗谐振器(SIR)结构，采用折叠SIR设计双工器中的带通滤波器，在T型结中引入SCMRC提高双工器的隔离度和减小了T型结的尺寸。研制的小型化双工器尺寸只有0.87λg×0.23λg，仿真和测试结果表明该双工器的隔离度大于65dB，插损小于1.7dB。
6.采用宽带Butler矩阵、双频双极化微带天线阵列和双工器等构建了基于Butler矩阵的多波束天线，设计并研制波束切换网络——单刀四掷开关(SP4T)和收发前端等关键部件，在此基础上对基于Butler矩阵的双频双极化多波束天线进行了实验研究，为进一步工程化应用奠定了基础。