本书聚焦基片集成波导多波束阵列天线这一前沿技术，系统论述其设计理论与工程实现。本书分为8章，首先，概述基片集成波导的基本原理、进阶技术及其在微波元件与天线中的应用，核心部分围绕多项创新性多波束方案展开；其次，聚焦小型化巴特勒矩阵的实现技术，化解空间受限难题；再次，将视角延伸至二维扫描、圆极化及轨道角动量天线等前沿方向，兼顾功能拓展与系统兼容；最后，从透镜馈电网络切入，深入剖析基于反射透镜与罗特曼透镜的解决思路，为复杂场景需求提供有力补充。本书可供从事射频与天线领域研究的科技工作者、研究生及高年级本科生阅读。

随着第五代移动通信及未来无线技术、新一代卫星系统和先进雷达装备的快速发展，人们对天线系统的性能提出了更高层次的要求。多波束阵列天线作为提升系统容量和频谱效率的核心手段，正成为学术界与工业界共同关注的前沿方向。然而，传统波导器件难以满足现代设备集成化、轻量化及低成本的发展需求，而常规平面传输结构又面临功率容量和损耗方面的限制。基片集成波导技术在此基础上应运而生，该技术兼具传统波导的高性能与平面电路的集成便利性，为高效、紧凑的多波束阵列天线设计开辟了新的技术路径。

本书围绕基片集成波导多波束阵列天线的设计理论与工程实践展开系统论述。本书共分8章，内容安排遵循从理论到应用、从基础到前沿的逻辑脉络。第1章深入讲解基片集成波导的基本原理、技术演进与典型应用场景，为后续多波束设计奠定基础；第2、3章剖析了巴特勒矩阵的小型化与多层集成设计方法，着力解决高密度天线布局中的关键技术问题；第4～6章进一步拓展技术应用，系统讨论了二维波束扫描、圆极化波束生成和轨道角动量等多功能多波束阵列天线；第7、8章则转向非巴特勒矩阵类型的波束成形方案，涵盖反射透镜与罗特曼透镜结构，以建立更多元的多波束阵列天线设计体系。

本书注重体现学术前瞻性与实践指导性的结合，不仅提供严谨的理论推导和清晰的拓扑分析，还汇集了大量仿真与测试数据、性能对比图表及实际设计案例，以帮助读者理解技术本质并提升工程实现能力。本书内容力求反映本领域最新研究成果与发展趋势，部分设计实例直接来源于作者团队的研究实践，具备较高的参考价值和可实现性。

本书主要面向电磁场和微波技术、通信工程及相关专业的高年级本科生和研究生，同时可为从事天线设计与射频系统开发的科研人员、工程师提供系统参考。每章引用的参考文献旨在为读者的深入研究提供方向指引。

谨向所有为基片集成波导多波束阵列天线领域做出卓越贡献的国内外学者致以敬意，本书部分内容受益于他们的开拓性工作，相关引用尽可能予以标注。本书除署名作者外，课题组已毕业的研究生杨清凌、杨镛、龚仁杰、刁维愿、颜素平、仲乐昊等也参与了本书的部分研究工作，郝汉、李佳霖、马谦、田震、耿淳、周学军等参与了书稿校正工作，借此机会，向他们表示感谢。

本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目（项目编号：62571412、62101259、62501496）的资助，在此表示感谢。

限于作者认知水平且成书时间较为仓促，书中难免有不妥或疏漏之处，恳请专家学者和读者朋友们提出宝贵意见，以便今后修改和提高。

著 者

2026年1月

连继伟，南京理工大学微电子学院副教授。第九届中国科协青年托举工程入选者，首批江苏青年科技人才U35培育对象。获得ISAPE2024青年科学家奖，获得ACES-China 2024青年科学家奖提名奖。2024年中国国际大学生创新大赛国赛金奖指导教师，第十八届挑战杯揭榜挂帅专项赛特等奖/全国擂主指导教师。主持/参与国家级及省部级科研项目10余项，发表高水平学术论文40余篇，申请发明专利10余项。指导学生获得国内外学术奖、竞赛奖10余项。

孙强，博士毕业于电子科技大学，现任西南交通大学信息科学与技术学院讲师。2024年度博士后创新人才支持计划入选者，西南交通大学2024年启航计划入选者。主要从事毫米波多波束天线阵、超表面天线阵的研究与教学工作，主持/参与国家级及省部级科研项目10余项，发表高水平学术论文20余篇。

班永灵，电子科技大学电子科学与工程学院教授，入选电子科技大学百人计划以及爱思唯尔中国高被引学者（2020年―2024年）。长期从事电磁场理论、微波毫米波天线、电磁调控结构与材料等方面的教学和科研工作。承担国家自然科学基金、产学研合作等科研项目30余项。发表学术论文200余篇，申请/授权发明专利30余项，获省部级科技奖2项。

目 录

第1章 基片集成波导1
1.1 基本原理1
1.2 进阶基片集成波导5
1.3 基片集成波导的应用17
1.3.1 异质传输线互连技术17
1.3.2 无源电路20
1.3.3 有源电路23
1.3.4 多波束阵列天线24
1.4 本章小结30
参考文献31
第2章 小型化多波束阵列天线35
2.1 横向小型化多波束阵列天线36
2.1.1 4×4巴特勒矩阵36
2.1.2 多波束阵列天线39
2.2 双模式纵向小型化多波束阵列天线42
2.2.1 4×4巴特勒矩阵43
2.2.2 多波束阵列天线51
2.3 多模式纵向小型化多波束阵列天线53
2.3.1 多端口定向耦合器53
2.3.2 多端口激励网络及多波束阵列天线59
2.4 本章小结62
参考文献62
第3章 基于多层巴特勒矩阵的紧凑型多波束阵列天线64
3.1 双层4×8巴特勒矩阵及其多波束阵列天线65
3.1.1 拓扑结构65
3.1.2 双层馈电网络设计66
3.1.3 多波束阵列天线设计68
3.2 双层8×8巴特勒矩阵及其多波束阵列天线71
3.2.1 拓扑结构71
3.2.2 基于基片集成波导的馈电网络设计74
3.2.3 多波束阵列天线设计76
3.3 三层9×9巴特勒矩阵及其多波束阵列天线79
3.3.1 拓扑结构79
3.3.2 三层巴特勒矩阵设计83
3.3.3 多波束阵列天线设计85
参考文献91
第4章 基于巴特勒矩阵的二维多波束阵列天线93
4.1 基于二通道耦合器的2×2多波束阵列天线94
4.1.1 拓扑结构及相位分布94
4.1.2 馈电网络设计96
4.1.3 多波束阵列天线设计99
4.2 基于三通道耦合器的3×3多波束阵列天线100
4.2.1 拓扑结构101
4.2.2 耦合器设计101
4.2.3 多波束阵列天线设计103
4.3 基于巴特勒矩阵的4×4多波束阵列天线106
4.3.1 拓扑结构107
4.3.2 馈电网络设计107
4.3.3 多波束阵列天线设计111
参考文献118
第5章 圆极化多波束阵列天线121
5.1 基于5×6巴特勒矩阵的一维圆极化多波束阵列天线122
5.1.1 圆极化磁电偶极子天线设计122
5.1.2 拓扑分析125
5.1.3 馈电网络与多波束阵列天线设计127
5.2 基于4×4巴特勒矩阵的二维圆极化多波束阵列天线131
5.2.1 改进型圆极化磁电偶极子天线设计132
5.2.2 应用于二维扫描的4×4巴特勒矩阵设计134
5.2.3 多波束阵列天线设计136
5.3 基于圆极化器的圆极化多波束阵列天线140
5.3.1 圆极化器结构设计与工作机理分析140
5.3.2 馈电网络设计144
5.3.3 多波束阵列天线设计146
参考文献148
第6章 轨道角动量天线150
6.1 双模式轨道角动量天线151
6.1.1 拓扑结构151
6.1.2 馈电网络设计153
6.1.3 轨道角动量天线设计154
6.2 三模式轨道角动量天线157
6.2.1 拓扑结构157
6.2.2 馈电网络设计158
6.2.3 轨道角动量天线设计160
6.3 四模式轨道角动量天线162
6.3.1 拓扑结构162
6.3.2 馈电网络设计165
6.3.3 轨道角动量天线设计167
参考文献170
第7章 基于反射透镜的多波束阵列天线171
7.1 基于双层抛物柱面的多波束阵列天线172
7.1.1 工作原理172
7.1.2 馈电网络设计174
7.1.3 多波束阵列天线设计176
7.2 基于折叠卡塞格伦透镜的多波束阵列天线180
7.2.1 工作原理180
7.2.2 馈电网络设计181
7.2.3 多波束阵列天线设计185
7.3 级联反射透镜和巴特勒矩阵的二维多波束阵列天线188
7.3.1 工作原理188
7.3.2 馈电网络设计189
7.3.3 多波束阵列天线设计197
参考文献199
第8章 基于罗特曼透镜的多波束阵列天线200
8.1 基于双端口馈电罗特曼透镜的多波束阵列天线201
8.1.1 罗特曼透镜工作原理201
8.1.2 双端口激励204
8.1.3 馈电网络设计204
8.1.4 多波束阵列天线设计208
8.2 基于双层罗特曼透镜的多波束阵列天线212
8.2.1 馈电网络设计212
8.2.2 多波束阵列天线设计215
8.3 基于共腔罗特曼透镜的十字扫描多波束阵列天线218
8.3.1 拓扑结构218
8.3.2 馈电网络设计222
8.3.3 多波束阵列天线设计224
参考文献228