CN101707497A - 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 - Google Patents
一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101707497A CN101707497A CN200910040876A CN200910040876A CN101707497A CN 101707497 A CN101707497 A CN 101707497A CN 200910040876 A CN200910040876 A CN 200910040876A CN 200910040876 A CN200910040876 A CN 200910040876A CN 101707497 A CN101707497 A CN 101707497A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- butler matrix
- matrix structure
- forming network
- network according
- power splitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，该结构具有多个波束端口和多个天线阵列端口，多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相连接，该结构蚀刻在三层印刷电路板上，具有体积小、带宽范围宽、一致性和稳定性较好，隔离度较高等优点 。
Description
[技术领域]
本发明涉及多波束天线的Butler矩阵波束形成网络，更具体地涉及一种高隔离度的2X4 Butler矩阵的多层PCB板结构。
[技术背景]
多波束天线早期多用于卫星通信方面，但随着移动通信的迅速发展，正面临着频谱容量不足等问题。多波束天线由于其可同时产生多个波束的方向图特性，被引用到蜂窝移动通信领域，以增加网络容量。
其中Butler矩阵是产生多波束的关键结构，本发明的2X4的Butler矩阵，可以连接四个天线阵列，在两个波束端口处分别生成两个不同波束。Butler矩阵设计包括功分单元以及移相单元，其中功分单元广泛采用电桥设计，如美国专利公开号US3255450(A)以及US3295134(A)，中国专利公开号CN1553725所披露的方案，但上述设计存在以下不足：
首先单个电桥的带宽特性不佳，尤其是隔离度带宽较差，如在天线阵列的整个工作频率下，电桥的隔离度一般只能高于20dB；
其次，上述方案还存在相移延长线，并普遍存在信号线的交叉，造成尺寸大，加工不便。
中国专利公开号CN101227216披露了一种新型的Butler矩阵，但其最大的优点仅是消除了信号线的交叉点，而同样存在隔离度带宽窄、尺寸大等缺点。
[发明内容]
本发明的目的在于：提供一种尺寸小、带宽范围宽、一致性和稳定性较好，且具有高隔离度的耦合式Butler矩阵结构。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，所述的Butler矩阵结构具有多个波束端口和多个天线阵列端口，所述的多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相连接；
其特征在于：所述的Butler矩阵结构蚀刻在三层印刷电路板上。
通过三层印刷电路板的架构设计，使得Butler矩阵结构的集成度更高，体积更小，同时三层电路板的架构设计还非常有利于线路布局，巧妙的消除了相移延长线，避免了信号线的交叉，使加工更加方便。另一方面，三层电路板的架构设计使得耦合式功率分配方案成为可能，大大增加了工作带宽，同时提高了隔离度。
作为上述技术方案的改良，本发明的进一步技术方案如下：
上述的印刷电路板上层和下层为信号层，中间层为接地层.以便于为耦合性功分器的设置和布局提供可能.
上述的信号层可增加接地结构，从而构成共面波导。
上述印刷电路板的接地层在耦合型功分器处设有挖空区，以实现上层和下层之间的信号耦合。
上述印刷电路板的上层和下层之间设有贯穿孔，以实现上层和下层之间的直流导通。
上述的多个波束端口数量为四个，其中两个波束端口接匹配电阻，上述的多个天线阵列端口的数量为四个，以实现2X4结构Butler矩阵。
上述的移相器单元的移相角度为90°；多个移相器单元数量为两个；多个耦合型功分器单元数量为四个；每个耦合型功分器单元具有两个输入；每个耦合型功分器单元具有两个输出；两个输出中的其中一个输出比另一个输出信号延迟90°。通过以上结构改良，实现了两个移相器单元，四个耦合型功分器单元，两个输入，两个输出，且一个输出比另一个输出信号延迟90°的优化结构。
上述的四个耦合型功分器单元，其中两个耦合型功分器单元为等功率分配耦合型功分器单元。
上述的四个耦合型功分器单元，其中另外两个耦合型功分器单元为不等功率分配耦合型功分器单元。
上述Butler矩阵结构的单元端口和天线阵列端口处均设有若干孤立的金属块。此种结构是为了便于调试。
其有益效果是：本发明克服了现有技术中普遍存在的带宽特性不佳，尤其是隔离度带宽较差，且存在相移延长线，存在信号线的交叉，造成尺寸大，加工不便等诸多不足。提供了一种全新设计的耦合式Butler矩阵结构。通过三层电路板的架构设计以及耦合式功分器等结构的优化设计，使得所述的Butler矩阵结构具有如下优点：
1、通过三层电路板的架构设计，使得所述的Butler矩阵结构尺寸大大缩小，且为耦合式功分器的设计提供了可能；
2、通过耦合式功分器的设计，使得带宽范围宽、一致性和稳定性较好，且具有较高隔离度；
3、三层电路板的架构设计使得布线灵活度更高，能有效的避免信号线的交叉。
[附图说明]
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的顶层结构示意图；
图3是本发明的中间层结构示意图；
图4是本发明的底层结构示意图；
图5是本发明的S参数仿真结果图。
[具体实施方式]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限定。
本实施例是采用2X4的Butler矩阵结构。如图1所示，其显示了本实施例的三层电路板结构示意图，从图中可以看出，本实施例包括：四个天线阵列端口，分别标记为Out1、Out2、Out3、Out4；两个波束端口，分别标记为portA、portB；两个不等功率分配耦合型功分器单元，分别标记为1a、1b；两个等功率分配耦合型功分器单元，分别标记为2a、2b；两个移相器单元，分别标记为3a、3b；两个匹配端口，分别标记为C、D；两个贯穿孔4，以实现上层和下层的直流导通；各端口处有调试用的孤立金属块5；中间接地层分别设有挖空区6和7(如图3所示)，用以实现上层和下层功分器的耦合，与连接上层和下层的贯穿孔4的位置相对应，中间接地层上还设有挖空区8(如图3所示)，以便贯穿孔4通过。
图1中1a、1b为不等功率分配耦合器，其为一个1/4波长耦合器，portA、portB为输入端，C、D为隔离端，在隔离端C、D上接51欧姆的贴片电阻作匹配，直通端为连接2b的两端，设计其输出-0.8dB∠-90°，耦合端为连接2a的两端，设计其输出为-8.5dB∠0°；2a、2b为等功率分配耦合器，若从portA输入，则out2、out4为直通端，out1、out3为耦合端，若portB输入，则out1、out3为直通端，out2、out4为耦合端，直通端比耦合端相位延迟90°。
射频信号若从portA端口进入，经过不等分功率分配耦合器1a后分出两路信号，分别为-0.8dB∠-90°、-8.5dB∠0°，其中信号-0.8dB∠-90°流向等功率分配耦合器2b，信号-8.5dB∠0°流向等功率分配耦合器2a，而连接1a与2b的带状线对比连接1a与2a的带状线的超出长度为3a，其长度为工作波长的四分之一，则信号-0.8dB∠-90°延迟90°即为-0.8dB∠-180°，经过等功率分配耦合器2b后，out3、out4的输出分别为：-3.8dB∠-180°、-3.8dB∠-270°；而信号-8.5dB∠0°经过等功率分配耦合器2a后，out1、out2的输出分别为：-11.5dB∠0°、-11.5dB∠-90°。因此，若portA输入信号，则out1、out2、out3、out4输出端信号分别为-11.5dB∠0°、-11.5dB∠-90°、-3.8dB∠-180°、-3.8dB∠-270°。
同理，若射频信号从portB输入，在经过不等分功率分配耦合器1b后分出两路信号，分别为-0.8dB∠-90°、-8.5dB∠0°，其中信号-0.8dB∠-90°流向等功率分配耦合器2b，信号-8.5dB∠0°流向等功率分配耦合器2a，而连接1b与2b的带状线对比连接1b与2a的带状线的超出长度为3b，其长度为工作波长的四分之一，则信号-0.8dB∠-90°延迟90°即为-0.8dB∠-180°，经过等功率分配耦合器2b后，out3、out4的输出分别为：-3.8dB∠-270°、-3.8dB∠-180°；而信号-8.5dB∠0°经过等功率分配耦合器2a后，out1、out2的输出分别为：-11.5dB∠-90°、-11.5dB∠0°。因此，若portB输入信号，则out1、out2、out3、out4输出端信号分别为-11.5dB∠-90°、-11.5dB∠0°、-3.8dB∠-270°、-3.8dB∠-180°。
图5为该实施例的HFSS仿真结果，从图中可以看到，portA、portB两波束端口的回波损耗都在-23dB以下，portA与portB两波束端口间的隔离度在工作频率范围内均大于43dB。把相位特性归一化后，也可以得到portA端口输入时out1、out2、out3、out4端口的幅相特性为：-11.8dB∠0°、-11.9dB∠-89.8°、-3.9dB∠-181°、-3.86dB∠-272°；portB端口输入时out1、out2、out3、out4端口的幅相特性为：-11.8dB∠-92、-11.8dB∠0°、-3.89dB∠-268°、-3.88dB∠-178°，由此也可以得出该Butler结构的损耗小于-0.3dB。
由于实施例是三层PCB板，随着每一批次的板材差异，加工精度的不同和四个单元端口out1、out2、out3、out4连接的天线阵列阻抗的差异，会影响到portA、portB两端口的驻波比、隔离度，因此在实施例中引入多个孤立金属片5，在焊接端口时根据需要连接一片或多片孤立金属片，用于微调portA、portB两端口的驻波比和隔离度，使其得到最优电性能.
上述实施例仅为本发明的一较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，所述的Butler矩阵结构具有多个波束端口和多个天线阵列端口，所述的多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相连接；
其特征在于：所述的Butler矩阵结构蚀刻在三层印刷电路板上。
2.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的印刷电路板上层和下层为信号层，中间层为接地层。
3.根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的信号层可增加接地结构，从而构成共面波导。
4.根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述印刷电路板的接地层在耦合型功分器处设有挖空区，实现上层和下层信号耦合。
5.根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述印刷电路板的上层和下层之间设有贯穿孔，以实现上层和下层之间的直流导通。
6.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的多个波束端口数量为四个。
7.根据权利要求6所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的四个波束端口中的其中两个波束端口接匹配电阻，实现2X4结构Butler矩阵。
8.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的多个天线阵列端口的数量为四个。
9.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的移相器单元的移相角度为90°。
10.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的多个移相器单元数量为两个。
11.根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的多个耦合型功分器单元数量为四个。
12.根据权利要求11所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的每个耦合型功分器单元具有两个输入。
13.根据权利要求12所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的每个耦合型功分器单元具有两个输出。
14.根据权利要求13所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的两个输出中的其中一个输出比另一个输出信号延迟90°。
15.根据权利要求11所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的四个耦合型功分器单元，其中两个耦合型功分器单元为等功率分配耦合型功分器单元。
16.根据权利要求15所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述的四个耦合型功分器单元，其中另外两个耦合型功分器单元为不等功率分配耦合型功分器单元。
17.根据权利要求1-16任一项所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于：所述Butler矩阵结构的单元端口和天线阵列端口处均设有若干孤立的金属块。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910040876A CN101707497A (zh) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910040876A CN101707497A (zh) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101707497A true CN101707497A (zh) | 2010-05-12 |
Family
ID=42377694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200910040876A Pending CN101707497A (zh) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101707497A (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102420351A (zh) * | 2012-01-04 | 2012-04-18 | 镇江中安通信科技有限公司 | 功分移相器 |
| CN102683854A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-09-19 | 华为技术有限公司 | 一种天线及天线端口隔离度调节方法 |
| CN102714805A (zh) * | 2012-03-05 | 2012-10-03 | 华为技术有限公司 | 天线系统 |
| CN102760929A (zh) * | 2012-05-17 | 2012-10-31 | 华为技术有限公司 | 一种耦合器和馈电网络 |
| CN103022700A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-04-03 | 北京航空航天大学 | 一种新型4×4Butler矩阵馈电网络 |
| CN103022701A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-04-03 | 北京航空航天大学 | 一种新型8×8Butler矩阵馈电网络 |
| CN103594801A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-02-19 | 天津中兴智联科技有限公司 | 一种巴特勒矩阵结构 |
| CN105262521A (zh) * | 2014-07-18 | 2016-01-20 | 中国人民解放军理工大学 | 一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法 |
| CN105390824A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-03-09 | 华为技术有限公司 | 劈裂天线的馈电网络和劈裂天线 |
| CN107331966A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-11-07 | 电子科技大学 | 一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler矩阵 |
| CN108110425A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-01 | 京信通信系统（中国）有限公司 | 2×4宽频巴特勒矩阵板、巴特勒矩阵及多波束天线 |
| CN108306110A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-07-20 | 富华科精密工业（深圳）有限公司 | 巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置 |
| CN109888507A (zh) * | 2018-12-22 | 2019-06-14 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络 |
-
2009
- 2009-06-30 CN CN200910040876A patent/CN101707497A/zh active Pending
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102420351A (zh) * | 2012-01-04 | 2012-04-18 | 镇江中安通信科技有限公司 | 功分移相器 |
| US8786493B2 (en) * | 2012-03-05 | 2014-07-22 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Antenna system with a beam with an adjustable tilt |
| CN102714805A (zh) * | 2012-03-05 | 2012-10-03 | 华为技术有限公司 | 天线系统 |
| WO2012095056A3 (zh) * | 2012-03-05 | 2013-02-21 | 华为技术有限公司 | 天线系统 |
| RU2591243C2 (ru) * | 2012-03-05 | 2016-07-20 | Хуавей Текнолоджиз Ко., Лтд. | Антенная система |
| CN102714805B (zh) * | 2012-03-05 | 2015-09-30 | 华为技术有限公司 | 天线系统 |
| CN102683854A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-09-19 | 华为技术有限公司 | 一种天线及天线端口隔离度调节方法 |
| CN102760929A (zh) * | 2012-05-17 | 2012-10-31 | 华为技术有限公司 | 一种耦合器和馈电网络 |
| CN103022701A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-04-03 | 北京航空航天大学 | 一种新型8×8Butler矩阵馈电网络 |
| CN103022700A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-04-03 | 北京航空航天大学 | 一种新型4×4Butler矩阵馈电网络 |
| CN103594801A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-02-19 | 天津中兴智联科技有限公司 | 一种巴特勒矩阵结构 |
| CN105262521B (zh) * | 2014-07-18 | 2018-03-09 | 中国人民解放军理工大学 | 一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法 |
| CN105262521A (zh) * | 2014-07-18 | 2016-01-20 | 中国人民解放军理工大学 | 一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法 |
| CN105390824A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-03-09 | 华为技术有限公司 | 劈裂天线的馈电网络和劈裂天线 |
| WO2017101752A1 (zh) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 华为技术有限公司 | 劈裂天线的馈电网络和劈裂天线 |
| CN105390824B (zh) * | 2015-12-14 | 2018-06-19 | 华为技术有限公司 | 劈裂天线的馈电网络和劈裂天线 |
| US10658764B2 (en) | 2015-12-14 | 2020-05-19 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Feeding network of dual-beam antenna and dual-beam antenna |
| CN107331966A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-11-07 | 电子科技大学 | 一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler矩阵 |
| CN108306110A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-07-20 | 富华科精密工业（深圳）有限公司 | 巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置 |
| CN108306110B (zh) * | 2017-12-14 | 2019-07-26 | 富华科精密工业（深圳）有限公司 | 巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置 |
| CN108110425A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-01 | 京信通信系统（中国）有限公司 | 2×4宽频巴特勒矩阵板、巴特勒矩阵及多波束天线 |
| WO2019119864A1 (zh) * | 2017-12-20 | 2019-06-27 | 京信通信系统（中国）有限公司 | 2×4宽频巴特勒矩阵板、巴特勒矩阵及多波束天线 |
| CN109888507A (zh) * | 2018-12-22 | 2019-06-14 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络 |
| CN109888507B (zh) * | 2018-12-22 | 2023-12-01 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101707497A (zh) | 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 | |
| Denidni et al. | Wide band four-port Butler matrix for switched multibeam antenna arrays | |
| Chi et al. | Miniaturized dual-band directional couplers using composite right/left-handed transmission structures and their applications in beam pattern diversity systems | |
| CN103414022B (zh) | 一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵 | |
| US11705614B2 (en) | Coupling device and antenna | |
| US9941587B2 (en) | 3×3 Butler matrix and 5×6 Butler matrix | |
| JPH0799822B2 (ja) | 分配されたアンテナフィード素子を使用する選択的アンテナビームを具備するトランスポンダ | |
| CN114024148A (zh) | 间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线 | |
| CN109378593B (zh) | 一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络 | |
| Guo et al. | Design of complex weighted feeding network based on generalized coupled-resonator filter theory | |
| CN201266675Y (zh) | 低损耗高增益多波束智能天线 | |
| Wang et al. | A compact broadband 4× 4 butler matrix with 360 continuous progressive phase shift | |
| CN211376930U (zh) | 一种s波段双圆极化有源相控阵天线 | |
| CN201504235U (zh) | 一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 | |
| Tadayon et al. | A Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna with Non-Reciprocal Butler Matrix Beamforming Network | |
| CN114709627B (zh) | 一种多频段可配置接收天线 | |
| US20140285282A1 (en) | Power dividing phase shifter | |
| Shahi et al. | N-way planar balanced-to-balanced series feeding network for balanced frequency-scanning phased array | |
| Piekarz et al. | Four-node antenna feeding network for interfacing with differential front-end electronics | |
| Raza et al. | A compact UWB passive balun solution for cryogenic 2-13 GHz Eleven feed for future wideband radio telescopes | |
| CN219659723U (zh) | 一种多波束形成网络及基站天线 | |
| CN113381204B (zh) | 新型平面阵列天线 | |
| CN213212368U (zh) | 一种圆极化微带天线 | |
| CN210006926U (zh) | 贴片天线 | |
| Al Masri et al. | Plug-and-Play Dual Polarized Phase Reconfigurable Waveguide Network for 5G Millimeter Wave Systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100512 |