CN101599784B - Butler矩阵波束形成装置 - Google Patents

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Abstract

一种WCDMA移动通信技术领域的Butler矩阵波束形成装置，包括：两个输入混合器、两个输出混合器、两个移相器和一个交叉耦合器，其中：输入混合器的输出端分别与移相器和交叉耦合器的输入端相连接，输出混合器的输入端分别与移相器和交叉耦合器的输出端相连接。本发明在工作频带为1920-2170MHz的范围中，端口回波损耗≤-22.0dB，隔离度≤-26.0dB，而该频带覆盖了WCDMA通信系统的核心频段(上行1920MHz-1980NHz，下行2110MHz-2170MHz)，因此本发明可应用WCDMA通信系统基站天线阵列的馈电网络，并提供相当高的隔离度。

Description

Butler矩阵波束形成装置
技术领域
本发明涉及的是一种移动通信技术领域的装置，具体是一种Butler矩阵波束形成装置。
背景技术
现代通信系统的基站发射机和接收机采用阵列天线来形成窄波束从而大大降低接收机接收到得信号的传播延时，同时也提高了信号的增益。Butler矩阵作为天线阵列的馈电网络能提供合适相位与幅度的信号，并起到波束形成的作用使天线能产生想要的方向图。现代无线移动通信(如TD-SCDMA，WCDMA等)以及下一代无线移动通信的基站天线都需要Butler矩阵来给其馈电，因此Butler矩阵有着及其广泛的应用市场。
经对现有技术的文献检索发现，公开号CN101227216A提出了一种不使用交叉耦合器Butler矩阵的实施方案。不使用交叉耦合器的原因在于在印刷电路板上引入交叉耦合器很难实现且性能不好，但是这种实现方法导致其用于接收相应RF输入信号的端口不在同一侧。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种Butler矩阵波束形成装置，采用新型的Butler矩阵的实施方式设计了一种宽频带、高隔离度4x4Butler矩阵波束形成网络，使得无论是接收RF输入信号的端口还是连接天线阵列单元的端口都在同一侧，此外每个构成单元的实现也有着自身的特色。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个输入混合器、两个输出混合器、两个移相器和一个交叉耦合器，其中：输入混合器的输出端分别与移相器和交叉耦合器的输入端相连接，输出混合器的输入端分别与移相器和交叉耦合器的输出端相连接。
所述的输入混合器和输出混合器均为宽频带90°混合器。
所述的移相器为45°移相器。
本发明在工作频带为1920-2170MHz的范围中，端口回波损耗≤-22.0dB，隔离度≤-26.0dB，而该频带覆盖了WCDMA通信系统的核心频段(上行1920MHz-1980NHz，下行2110MHz-2170MHz)，因此本发明可应用WCDMA通信系统基站天线阵列的馈电网络，并提供相当高的隔离度。
附图说明
图1  4x4Butler矩阵拓扑结构图。
图2  4x4Butler矩阵印刷电路板布线。
图3  90°混合器具体结构尺寸示意图。
图4  交叉耦合器具体结构尺寸示意图。
图5  45°移相器具体结构尺寸示意图。
图6  端口1实测反射回波损耗S11特性图。
图7  端口1实测隔离幅度S12特性图。
图8  端口1实测传输幅度S15特性图。
图9  端口1实测传输幅度S16特性图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
由图1和图2所示，本实施例包括：第一输入混合器Ha、第二输入混合器Hb、第一输出混合器Hc、第二输出混合器Hd、第一移相器Pa、第二移相器Pb、交叉耦合器Co、第一输入端口I1、第二输入端口I2、第三输入端口I3、第四输入端口I4、第一输出端口O1、第二输出端口O2、第三输出端口O3、第四输出端口O4，其中：
第一输入端口I1、第二输入端口I2、第三输入端口I3和第四输入端口I4分别连接至第一输入混合器Ha的第一输出端Ha1和第四输出端Ha4以及第二输入混合器Hb的第一输入端Hb1和第四输出端Hb4；
第一输出端口O1、第二输出端口O2、第三输出端口O3和第四输出端口O4分别连接至第一输出混合器Hc的第二输出端Hc2和第三输出端Hc3以及第二输出混合器Hd的第二输出端Hd2和第三输出端Hd3；
第一输入混合器Ha的第二输出端Ha2和第三输出端Ha3分别连接至第一移相器Pa的第一输入端Pa1和交叉耦合器Co的第一输入端C1；
第二输入混合器Hb的第二输出端Hb2和第三输出端Hb3分别连接至第二移相器Pb的第一输入端Pb1和交叉耦合器Co的第四输入端C4；
第一移相器Pa的第二输出端Pa2连接至第一输出混合器Hc的第一输入端Hc1，第二移相器Pb的第二输出端Pb2连接至第二输出混合器Hd的第四输入端Hd4。
交叉耦合器Co的第二输出端C2和第三输出端C3分别连接至第一输出混合器Hc的第四输入端Hc4和第一混合器Hc的第一输入端Hd1。
本实施例所述波束形成装置采用平面微带结构，微带衬底采用FR4介质，其介电常数εr＝2.55，损耗正切tanδ＝0.001，衬底厚度hs＝0.78mm，微带传输线的厚度hm＝0.035mm。
如图3所示，所述的第一输入混合器Ha、第二输入混合器Hb、第一输出混合器Hc、第二输出混合器Hd均为宽频带90°混合器，该混合器中连接输入端口和输出端口的平行微带线的线宽为Rh9＝Rh10＝2.618mm，线长为Rh11＝70.768mm。
所述的平行微带线之间设有垂直微带线，该垂直微带线的线长为Rh1＝28.314mm，该垂直微带线距离上面的平行微带线为Rh2＝11.568mm和距离下面平行微带线为Rh3＝14.157mm的区域线宽加宽，其加宽部分向一边凸出。
所述的平行微带线之间设有两条折线微带线，该折线微带线的线宽为Rh8＝0.45mm。折线形状微带线的夹角定点距离垂直微带线为Rh7＝23.046mm，距离上下两平行微带线为Rh6＝14.184mm。
如图4所示，所述的交叉耦合器Co为左右对称且上下对称结构，该交叉耦合器Co中连接其输入端口和输出端口的第一耦合器微带线的线宽均为Rc2＝Rc14＝4.085mm；
所述的交叉耦合器Co中分别垂直设有5条第二耦合器微带线，该第二耦合器微带线的线宽不等，依次为Rh3，Rh4，Rh5，Rh6，Rh7，该第二耦合器微带线的线长均为Rh9＝26.963mm，间距依次为Rc10＝25.109mm，Rc11＝24.664mm，Rc12＝24.664mm，Rc13＝25.109mm。
所述的交叉耦合器Co的第一输出端C2和第二输出端C3的引出端的线长均为Rc17＝2.134mm，线宽均为Rc15＝2.618mm；第一输入端C1、第二输入端C4的引出端之间的距离为Rc8＝28.336mm。
如图5所示，所述的第一移相器Pa和第二移相器Pb为蛇形微带线结构，其线宽为Rp1＝2.618mm。左到右三个拱形的宽度分别为Rp2＝Rp4＝8.622mm，Rp3＝11.357mm，从左到右三个拱形的高度分别为Rp5＝Rp7＝6.895mm，Rp6＝14.028mm。
如图6至图9所示，经测定本实施例所述波束生成装置的隔离度、回波损耗等指标实测数据如下：频段：1920-2170MHz；端口回波损耗≤-23.0dB；隔离度≤-26.0dB；传输幅度：-6.3dB～-7.5dB。

Claims (5)

1.一种Butler矩阵波束形成装置，其特征在于，包括：两个输入混合器、两个输出混合器、两个移相器和一个交叉耦合器，其中：输入混合器的输出端分别与移相器和交叉耦合器的输入端相连接，输出混合器的输入端分别与移相器和交叉耦合器的输出端相连接； 
所述的输入混合器和输出混合器均为宽频带90°混合器，其中连接混合器输入端口和输出端口的平行微带线的线宽为2.618mm，线长为70.768mm； 
所述的移相器为45°移相器； 
所述的交叉耦合器为左右对称且上下对称结构，该交叉耦合器中连接其输入端口和输出端口的第一耦合器微带线的线宽均为4.085mm，所述的交叉耦合器中分别垂直设有5条第二耦合器微带线，该第二耦合器微带线的线宽不等，线长26.963mm，其间距依次为25.109mm、24.664mm、24.664mm和25.109mm； 
所述的交叉耦合器的输出端的引出端的线长均为2.134mm，线宽均为2.618mm，输入端的引出端之间的距离为28.336mm。 
2.根据权利要求1所述的Butler矩阵波束形成装置，其特征是，所述波束形成装置为平面微带结构，微带衬底采用FR4介质，其介电常数εr=2.55,损耗正切tanδ＝0.001，衬底厚度hs=0.78mm，微带传输线的厚度hm＝0.035mm。 
3.根据权利要求1所述的Butler矩阵波束形成装置，其特征是，所述的平行微带线之间设有垂直微带线，该垂直微带线的线长为28.314mm。 
4.根据权利要求3所述的Butler矩阵波束形成装置，其特征是，所述的平行微带线之间设有两条折线微带线，该折线微带线的线宽为0.45mm，夹角为154°，该折线微带线的夹角定点距离垂直微带线为23.046mm，距离平行微带线14.184mm。 
5.根据权利要求1所述的Butler矩阵波束形成装置，其特征是，所述的移相器为蛇形微带线结构，其线宽为2.618mm。 
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