德思特产品 | 搞定波束赋形测试：从原理到选型，这篇 Butler 矩阵指南请收好

波束赋形（Beamforming）是现代无线通信的核心。虽然全数字架构备受关注，但在实验室测试、OTA验证及雷达系统中，德思特优质合作伙伴Vaunix 无源巴特勒矩阵（ Butler Matrix）凭借其高重复性和低复杂度的优势，依然扮演着不可替代的角色。本文将带您深入了解Butler矩阵的设计权衡、应用场景以及现代实验室中的创新实现方案。

了解波束赋形：德思特干货 | 波束成形技术：从原理到实践，如何精准控制无线信号方向？

一、什么是Butler矩阵？

简单来说，Butler矩阵是一种无源的N×N波束赋形网络。它通过混合器（Hybrids）、移相器和交叉耦合器，将输入信号以固定的相位递变分配到输出端口。其核心功能是， 当你激励其中一个输入端口时，天线阵列就会产生一个指向特定角度的波束。同时，它还具备较好的互易性，不仅能发射，也能用于接收链路。

二、为什么选择它？

随着毫米波和6G研究的扩展，混合系统有望将固定波束网络的简洁性与数字适应性相结合。低损耗制造技术和材料的进步将进一步提升带宽并减少插入损耗。在构建测试系统时，工程师往往需要在数字波束赋形和无源网络之间做选择。Butler矩阵的优劣势非常鲜明：

1.核心优势

• 纯无源架构：没有放大器和混频器引入的非线性失真，信号更纯净。
• 紧凑集成：微带线或波导实现方式可以做得非常小巧。
• 高重复性：固定的相位关系让校准变得简单，非常适合需要多次复现的受控实验。

2.设计权衡

• 带宽限制：相位关系随频率变化，限制了其超宽带应用。
• 插损问题：每一个器件都会引入损耗，N越大，损耗越高。
• 波束偏斜（Beam Squint）：随着频率改变，波束指向角会发生偏移。

3.现代实验室的“杀手锏”应用

在MIMO和OTA（Over-the-Air）测试中，工程师需要的是可控且可重复的环境，而不是复杂的实时自适应系统。这正是Butler矩阵大展身手的地方，它能以低成本在实验室里“复刻”出多波束环境，是验证设备性能的高效工具。

• 5G与Wi-Fi 7原型验证： 快速评估Sub-6GHz及毫米波频段的天线阵列性能。
• MIMO信道仿真： 创建可重复的信号路径，用于评估链路质量。
• OTA验证： 在多波束激励下测量设备性能。
• 雷达与国防测试： 模拟测向或相控阵子系统。

4.现代实现：从理论到产品

为了克服传统设计的带宽和隔离度痛点，业界正在引入宽带混合器、SIW（基片集成波导）等新技术。

以德思特Vaunix最新的TS-LBM-7250-4 Lab Brick Butler Matrix为例，这款4×4波束赋形网络展示了现代设计如何平衡实验室的高要求：

• 低插损：< 9 dB
• 相位误差：< 7 度（确保波束指向精准）
• 高隔离度：> 20 dB（减少波束间干扰）
• 即插即用：紧凑的封装让工程师无需自己设计复杂的PCB，直接由USB控制或集成到系统中。

三、工程师实战指南：Butler矩阵使用Tips

想在实验室里用好Butler矩阵？这里有几条老工程师的经验之谈：

• 终结闲置端口：未使用的端口务必接上匹配负载，防止反射破坏波束方向图。
• 定期校准：虽然是无源器件，但仍需校准以补偿线缆和接头的相位/幅度误差。
• 注意热稳定性：相位误差对温度敏感，保持测试环境温度稳定很重要。
• 记录配置：切换波束端口时做好记录，确保测试的可追溯性。

随着6G研究的深入，未来的波束赋形系统可能会是“固定无源网络”与“数字自适应”的结合体。对于当下的射频测试工程师而言，像德思特Vaunix Lab Brick这样高性能、便携的Butler矩阵，依然是手边最得力的工具之一。

如果您有相关应用需求，欢迎联系德思特！