CN102195696A - 一种宽频带、高隔离度4x4 Butler矩阵波束形成网络 - Google Patents
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Abstract
一种宽频带、高隔离度4x4Butler矩阵波束形成网络装置及实施方案。本发明包括具有特定结构的宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)、宽频带90°混合器和45°移相器。本发明用于WCDMA通信系统，其结构紧凑，体积小，易于在印制电路板中实现。在整个1920-2170MHz频带范围内，本发明具有非常理想的隔离度。
Description
技术领域：
本发明提出一种WCDMA移动通信环境下基站天线的馈电网络，具体是一种宽频带、高隔离度的4x4Bulter矩阵波束形成网络，并涉及该Butler矩阵组成单元的结构和设计方法。
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米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，在专利CN101227216A中，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。本发明的设计思路不同于上述专利，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。由于本发明成功的引入了性能理想的宽频带、高隔离度的交叉耦合器来克服了这个难点，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。
发明内容：
本发明目的在于提出一种新型宽频带、高隔离度的平面4x4 Butler矩阵波束形成网络。在工作频带为1920-2170MHz的范围中，本发明的端口回波损耗≤-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。
由于微带技术具有易制造和低成本的特点，本发明提供一种能使用微带平面传输线来实施的Butler矩阵平面结构。
本发明提供一种应用于WCDMA系统的宽频带、高隔离度4x4Butler矩阵波束形成装置，包括：a.四个宽频带90°混合器，如图1所示的Ha，Hb，Hc，Hd；b.两个45°移相器，如图1所示的Pa，Pb；c.一个宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)，如图1所示的Co。本4x4Butler矩阵拥有四个输入端口接收RF信号，四个输出端口将信号传递对应的基站天线单元，输出端提供的合适相位与幅度的信号，并起到波束形成的作用。
附图说明：
图14x4Butler矩阵拓扑结构图
图24x4Butler矩阵印刷电路板布线
图390°混合器具体结构尺寸示意图
图4交叉耦合器(Crossover)具体结构尺寸示意图
图545°移相器具体结构尺寸示意图
图6端口1实测反射回波损耗特性(S11)
图7端口1实测隔离幅度特性(S12)
图8端口1实测传输幅度特性(S15)
图9端口1实测传输幅度特性(S16)
具体实施方式
由图1和图2所示，本发明包括：四个90°混合器(标记为Ha，Hb，Hc，Hd)，两个45°移相器(标记为Pa，Pb)和一个交叉耦合器(Crossover)(标记为Co)。标记为I1，I2，I3，I4的四个端口为本发明的输入端口，标记为O1，O2，O3，O4的四个端口为本发明的输出端口。其中图1为本发明的拓扑结构图，图2为本发明的平面印刷电路板结构示例实施例。
所述四个输入端I1，I2，I3，I4，它们分别接90°混合器Ha、Hb的输入端Ha1，Ha4和Hb1，Hb4。所述四个输出端O1，O2，O3，O4，它们分别接90°混合器Hc、Hd的输出端Hc2，Hc3和Hd2，Hd3。
所述90°混合器Ha的输出端Ha2和Ha3分别接所述45°移相器Pa的输入端Pa1和所述交叉耦合器(Crossover)的输入端C1。
所述90°混合器Hb的输出端Hb2和Hb3分别接所述45°移相器Pb的输入端Pb1和所述交叉耦合器(Crossover)的输入端C4。
所述45°移相器Pa的输出端Pa2接所述90°混合器Hc的输入端Hc1。所述45°移相器Pb的输出端Pb2接所述90°混合器Hd的输入端Hd4。
所述交叉耦合器(Crossover)的输出端C2，C3分别接90°混合器Hc的输入端Hc4和所述90°混合器Hd1。
实例：
本发明采用平面微带结构，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。
本发明的具体结构尺寸可以通过给出的每个构成单元(即90°混合器，45°移相器，交叉耦合器(Crossover))的具体尺寸来得到。
(1)90°混合器
其实例化的具体结构尺寸如附图3所示，它是一个四端口网络，其中端口H1、H4为输入端口，端口H2、H3为输出端口。连接输入输出端口的两条平行的微带线的线宽都是Rh9＝Rh10＝2.618mm，线长都是Rh11＝70.768mm。垂直微带线(垂直臂)的线宽是Rh4＝1.274mm，线长是Rh1＝28.314mm。该垂直微带线在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，线宽为Rh5＝2.197mm。两条折线形状微带线位于垂直臂两侧对称，其线宽为Rh8＝0.45mm，夹角为154°。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。
(2)交叉耦合器(Crossover)
其实例化的具体结构尺寸如附图4所示，它是一个四端口网络，其中端口C1、C4为输入端口，端口C2、C3为输出端口。该结构左右对称和上下对称。连接输入输出端口的两条平行的微带线的线宽都是Rh2＝Rh14＝4.085mm，线长都是Rh16＝111.595mm。五条垂直微带线的线宽从左到右(左右对称)依次为Rh3＝0.5mm，Rh4＝4.419mm，Rh5＝2.185mm，Rh6＝4.419mm，Rh7＝0.5mm，它们的线长都等于Rh9＝26.963mm。五条垂直微带线的间距从左到右依次为Rc10＝25.109mm，Rc11＝24.664mm，Rc12＝24.664mm，Rc13＝25.109mm。交叉耦合器(Crossover)四个端口引出端的线长都为Rc17＝2.134mm，线宽都为Rc15＝2.618mm。两个输入端口引出端之间的距离为Rc8＝28.336mm。
(3)45°移相器
其实例化的具体结构尺寸如附图5所示，它是一个两端口网络，由端口P1、P2组成。它由一条蛇形微带线构成，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。
本发明4x4Butler矩阵其隔离度、回波损耗等指标实测数据如下：
请参考图6至图9。
频段：1920-2170MHz
端口回波损耗≤-22.0dB。
隔离度≤-26.0dB。
传输幅度：-6.3dB～-7.9dB
应该认为说明书和实例只是示例性的，在不背离本发明的精神和范围的情况下，依据本发明可以对这里公开的实例作出各种修改和变化。但是本发明的真正范围和精神由所附权利要求书公开。
Claims (9)
1.一种宽频带、高隔离度4x4 Butler矩阵波束形成网络，所述Butler矩阵由具有特定结构的宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)、宽频带90°混合器和45°移相器构成。
2.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述结构有特定结构的宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)，它是一个四端口网络，拥有两个输入端口和两个输出端口。它由七条不同长度不同宽度的微带线按照特定结构构成。
3.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)上下对称，左右对称。七条微带线按以下形式组成。其中两条微带线相互平行，这两条平行的微带线之间由五条不同线宽的垂直微带线(垂直臂)构成。两条平行的微带线两端都分别连接着所述宽频带、高隔离交叉耦合器(Crossover)输入端和输出端。
4.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述宽频带、高隔离度的交叉耦合器(Crossover)的七条微带线的线宽和线长分别由如下尺寸给出。两条平行的微带线的线宽都是4.085mm，线长都是111.595mm。五条垂直微带线的线宽从左到右(左右对称)依次为0.5mm，4.419mm，2.185mm，4.419mm，0.5mm，它们的线长都等于26.963mm。
5.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述结构有特定结构的宽频带90°混合器，它是一个四端口网络，拥有两个输入端口和两个输出端口。它由五条不同长度不同宽度的微带线按照特定结构构成。
6.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述宽频带90°混合器的五条微带线按以下形式组成。其中两条微带线相互平行，这两条平行的微带线之间有一条垂直微带线(垂直臂)和两条具有一定角度的折线形状的微带线。
7.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述宽频带90°混合器的五条微带线的线宽和线长分别由如下尺寸给出。两条平行的微带线的线宽都是2.618mm，线长都是70.768mm。垂直微带线(垂直臂)的线宽是1.274mm，线长是28.314mm。该垂直微带线在距离上面的平行微带线为11.568mm和距离下面平行微带线为14.157mm的区域线宽加宽，其加宽部分向一边凸出，线宽为2.197mm。两条折线形状微带线位于垂直臂两侧对称，其线宽为0.45mm，夹角为154°。
8.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述结构有特定结构的45°移相器，它是一个两端口网络，拥有一个输入端口和一个输出端口。它由一条蛇形微带线构成，其线宽为2.618mm。
9.根据权利要求1所述的宽频带、高隔离度Butler矩阵，其特征是，所述结构在1920-2170MHz频带范围内具有相当高的隔离度，即其端口回波损耗≤-22.0dB，隔离度≤-26.0dB。
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| WO2015003381A1 (zh) * | 2013-07-12 | 2015-01-15 | 广东博纬通信科技有限公司 | 一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵 |
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