文献综述（或调研报告）：
在5G众多候选技术之中，大规模多输入多输出（Massive MIMO）是已达成广泛共识的关键使能技术之一。作为大规模MIMO核心技术的大规模多波束天线阵，可以提供具有高空间分辨率的高增益窄波束，提供灵活的空间复用能力，低的用户间干扰，可以应对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，其中阵列的馈电网络又在系统性能上扮演着极为重要的角色。本文将针对得到广泛应用的典型波束成形馈电网络——巴特勒矩阵的发展展开论述，总结概括国内外相关研究的现状与趋势。
巴特勒矩阵的主要功能是，当射频信号从不同输入端口馈入时，在各输出端口得到一致的信号幅度与端口间相位差，输出信号馈给天线阵列，在空间的一定方向上形成波束，于1961年由巴特勒等人首次提出，并于1966年出版专利[1]。在这一理论发展的初期，波束指向与副瓣幅度[2]、大规模矩阵的程序化设计方法[3]以及简化矩阵的方法[4]都曾是主要研究方向。1968年应用于信号处理的FFT算法与巴特勒矩阵间的对应关系被提出[5]，提供了一种全新的研究方案。近年来，巴特勒矩阵理论也得到了一定的发展，但矩阵的设计、制作以及寻求性能的改善与提高一直是研究的热点。
巴特勒矩阵的电路设计主要研究方向主要包括以下几块：芯片设计、宽带与大规模化设计、新材料新技术的应用、降低副瓣幅度、任意端口数设计、小型化与低插损设计等。
在毫米波段，CMOS技术因其小尺寸与高集成度而备受青睐，也有少数巴特勒矩阵在CMOS芯片上实现。2008年，采用0.18mu;m CMOS技术、工作在2.5GHz的4times;4巴特勒矩阵首先被提出，应用了基于变压器原理的可进行相位补偿的正交耦合器与反射型移相器[6]；V波段MMIC CMOS工艺 8times;8巴特勒矩阵也接着被提出[7]，与之相似的波束成形天线模块随后设计成功[8]。尽管芯片级CMOS设计的集成度已经很高，但在此工艺下小型化依旧是追求目标。2011年B. Cetinoneri等人提出了0.13mu;m CMOS工艺5-6 GHz 8times;8最小化矩阵电路[9]；2012年SiP集成V波段巴特勒矩阵，创新使用了LTCC作为CMOS芯片的介质基板[10]。更高频段的设计，如SiGe BiCMOS工艺220-240GHz 4times;4巴特勒矩阵于2014年设计成功[11]。
5G通信系统中MIMO的发展依赖于大规模波束成形馈电网络的设计，对于巴特勒矩阵来说，即32times;32与64times;64规格的矩阵，一般有两种实现方案。直接实现是方法之一。1985年，一种反射机制被用于矩阵，有效减少了元件个数[12]。接着，2006年紧凑型16times;16波导巴特勒矩阵出现，该设计采用了顶壁与狭缝混合网络，从而有效缩短信号从输入端到输出端所经过的距离[13]。随后在2010年， Chia-Chan Chang提出了应用可调移相器的高分辨率波束成形系统，结合波束切换与调控两种技术，并在保证矩阵低阶的基础上实现了电路的小型化[14]。初期的巴特勒矩阵一般是4times;4规格、基于不同介质进行主要组成部件的创新设计，随着电路工艺技术的进步，8times;8规格的矩阵设计很快成为研究热点，例如CMOS、宽带化设计等。矩阵大规模化的另一方法是运用低阶矩阵来达到相同的目的，1973年Boris Sheleg提出用数个低阶矩阵替代单个大规格矩阵的方案，虽然有效减小了电路面积但也造成了一定程度上性能的损失[15]。
新材料的发现、新工艺的应用给巴特勒矩阵的电路设计提供了强大的动力；截至目前，诸如IPD、熔融石英甚至是超导物质等许多材料都已被作为传输介质应用于巴特勒矩阵电路中。首先，考虑低损耗的需要。Alosno Corona于2003年提出了工作在2GHz的高温超导8times;8巴特勒矩阵，通过双层结构减小了电路尺寸，而超导材料的低导体损耗使得插入损耗保持在较低水平[16]。如前所述，Jacob Remez等人于2006年提出紧凑型16times;16波导巴特勒矩阵，采用顶壁与狭缝混合网络来缩短信号从输入端到输出端所经过的距离，从而把损耗降到最低[13]。基于同样的目标，应用熔融石英的60GHz阵列天线系统随后进入人们的视野[17]。同年Y. Lin提出了基于玻璃的矩阵设计[18]。其次，考虑小尺寸电路的需求。2014年，D. Titz以宽带小型化的分支线耦合器为创新点，设计集成了相控阵60GHz波束成形网络，运用了集成无源器件技术[19]。考虑到IPD的低耗与小尺寸，2015年C.–C. Chang等利用同样的技术，制成了玻璃-IPD、工作在60GHz集成化波束切换相控阵[20]。最后，B. Saad等人基于巴特勒矩阵主要组成部件——3dB耦合器、移相器、交叉线的透明化设计，实现了电路的创新[21]–[23]。
宽通频带始终是设计追求的目标之一。由于巴特勒矩阵主要由耦合器、移相器、交叉线区域三个部件组成，因此整个矩阵的宽带化往往分别从每个组成部分入手。首先，考虑耦合器宽带特性的实现。传统巴特勒矩阵一般采用微带结构实现，采用分支线耦合器实现功率的分配；而分支线耦合器的带宽依赖于总分支线的数目，分支线越多、带宽越宽。2006年Theodoros N. Kaifas等人提出了运用椭圆耦合器与Lange耦合器的单层宽带巴特勒矩阵[24]。紧接着K. Wincza于2007年提出了四波束、2GHz-3GHz的宽带双通频带巴特勒矩阵，类似地，多层结构的定向耦合器也以矩阵部件的创新点被提出[25]。此外，多节90°定向耦合器、带相位补偿的forward-wave定向耦合器也都被应用于宽带巴特勒矩阵中[26]。其次，移相器带宽的提高也是整个矩阵宽带化的关键。一段长度的传输线是实现移相最简单的方法，虽然该移相器因复杂度低得到广泛应用，但其窄带效应将电路性能限制在很小的范围内。早在1967年，P.E.K. Chow与D.E.N. Davies通过去除一般移相器的带宽限制达到了拓宽矩阵通频带的目标[27]。近年来诸多设计都通过改善移相器达到了优化矩阵宽带性能的目的，其中Schiffman移相器得到了最多的应用[14]。低损耗、相对波导来说尺寸较小的SIW技术呈现出了巨大的发展潜力。2011年，A.A.M. Ali等人用SIW制成了Ku波段双层结构宽带4times;4巴特勒矩阵[28]。2012年T. Djerafi 和K. Wu提出77GHz宽带平面4times;4巴特勒矩阵设计，通过端口的重新排列免去了交叉线的使用[29]。最后，根据单层或多层、立体或平面的不同设计，交叉线区域用不同的结构实现，也因此具有不同的带宽特性，需具体讨论。
之前所提及的均是Ntimes;N巴特勒矩阵（, m=2,3,hellip;）的电路设计，实际上矩阵完全可以是非对称的。1970年H.E. Foster等人提出了任意端口数目矩阵的实现方法[30]；2014年，K. Ding等以及其简单、全新的双层结构实现了3times;3巴特勒矩阵[31]。
以上创新的出发点均是矩阵本身，而巴特勒矩阵作为馈电网络最终需要与相控阵相连接进行测试。阵列天线方向图是衡量馈电网络性能的标准之一，副瓣的幅度是其中即为重要的参数，因此诸多课题组致力于研究将副瓣幅度降到最低的方法。1969年，J. P. Shelton通过线阵天线元的简单换位实现了副瓣的缩小[32]。此后，增加功率分配器[33]、改变耦合器结构等诸多方法都被应用于降低副瓣影响，并用阵列天线验证了系统的性能[34]。2012年T. Djerafi等采用可移除镜像结构的可调耦合器结构实现了相同的目的[35]。
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