CN102509891A - 频率可调的巴特勒矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种频率可调的巴特勒矩阵，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层，其特征在于，所述金属覆铜上层包括分布在四个方位上的四组频率可调定向耦合器、呈对角线分布在两个方位上的两组宽带移相器和两组连接线，按照顺时针方向第一组频率可调定向耦合器与第一组宽带移相器、第二组频率可调定向耦合器、第一组连接线、第三组频率可调定向耦合器、第二组宽带移相器、第四组频率可调定向耦合器和第二组连接线依次两两串联构成一闭合环。本发明的有益效果：由于本发明的方案采用频率可调定向耦合器来替代传统巴特勒矩阵中采用的固定频率定向耦合器，使巴特勒矩阵具备了频率可调能力。
Description
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，特别涉及一种微波无源器件中的巴特勒矩阵(butlermatrices)。
背景技术
软件无线电和其升级概念认知无线电是近年来移动通讯领域里的热门技术。利用此类无技术，能够灵活有效地管理频谱资源，极大地提高频谱利用率，降低工作频率接近系统之间的互扰。软件无线电和认知无线电要求其硬件系统具备可重构性，即依靠电或其他激励手段，能够改变电路的工作特性。
另一方面，移动通信的迅速发展使得传统的多址方式，如CDMA、FDMA、TDMA等，已不能满足日益增长的扩容需要。多波束天线通过波束成形网络产生多个不同指向的波束，用以覆盖整个用户区，从而实现提高信道容量、降低干扰、降低发射功耗等目标。波束成形网络一般可以分为两大类：电路类(又叫网络类)和准光透镜类。巴特勒矩阵是目前使用最为广泛的电路类波束成形网络。如上所述，无线移动通信技术的发展对传统巴特勒矩阵也提出了一些新的设计要求，如工作频率可调。
4×4巴特勒矩阵是一个八端口器件，有四个输入端口和四个输出端口。从任一输入端口输入信号，在四个输出端口同时产生幅度相等、相位差为-135°、-45°、135°或45°的输出信号，输入端口之间保持良好的隔离。传统4×4巴特勒矩阵由四个定向耦合器和移相器构成，一旦设计完成，其工作频率就已固定，不可改变；其工作带宽受定向耦合器工作带宽的限制，一般较窄，难以满足覆盖多个射频无线系统的要求。
发明内容
本发明的目的是为了实现频率可调的巴特勒矩阵，以满足新一代通信系统对电路重构化、多功能集成化的迫切需求。
本发明的技术方案是：一种频率可调的巴特勒矩阵，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层，其特征在于，所述金属覆铜上层包括分布在四个方位上的四组频率可调定向耦合器、呈对角线分布在两个方位上的两组宽带移相器和两组连接线，按照顺时针方向第一组频率可调定向耦合器与第一组宽带移相器、第二组频率可调定向耦合器、第一组连接线、第三组频率可调定向耦合器、第二组宽带移相器、第四组频率可调定向耦合器和第二组连接线依次两两串联构成一闭合环。
上述频率可调定向耦合器包括两组主支线、两组副支线、四组耦合器馈线、共点、四组变容管、电感、接地片，所述主支线、副支线弯曲，围成封闭的二十边形，二十边形的九十度弯曲处的内侧和外侧倒直角，二十边形内部中心处有近似圆形的共点，所述主支线与副支线的四个交点处分别与四组耦合器馈线相连，所述主支线、副支线四个中点位置和共点之间有四个变容管，所述共点通过电感与接地片相连，所述接地片经过金属化接地孔贯穿了介质层与金属覆铜下层相连。
上述宽带移相器包括有两组平行的耦合线和与耦合线垂直的两组移相器馈线，所述两组耦合线之间有一条缝，所述两组耦合线的一端直接相连，另一端与移相器馈线相连，所述两组耦合线分别与两组移相器馈线呈九十度弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角。
上述连接线弯曲成具有多个直角拐弯的曲折线，在直角拐弯处的外侧倒直角。
本发明的有益效果：由于本发明的方案采用频率可调定向耦合器来替代传统巴特勒矩阵中采用的固定频率定向耦合器，使巴特勒矩阵具备了频率可调能力；同时，在巴特勒矩阵的设计中引入宽带移相器，使巴特勒矩阵在很宽的工作范围内都满足波束成形要求；再次，该巴特勒矩阵自身具有优良的带外抑制能力，与宽带巴特勒矩阵、多频段巴特勒矩阵相比，在使用时可大大降低临近频率的互扰，降低系统对滤波器的指标要求。
附图说明
图1是本发明的频率可调的巴特勒矩阵的侧视图。
图2是本发明的频率可调的巴特勒矩阵的金属覆铜上层1的结构示意图。
图3是本发明的频率可调的巴特勒矩阵的频率可调定向耦合器11的结构示意图。
图4是本发明的频率可调的巴特勒矩阵的宽带移相器12的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4所示，一种频率可调的巴特勒矩阵，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层1、介质层3、金属覆铜下层2，为了形成本实施例的定向耦合器，通过印制电路板制造工艺对金属覆铜上层1进行加工形成所需的金属图案(电路结构)，金属覆铜下层2未作处理，该金属图案中各部分之间通过虚拟的虚线进行划分，所述金属覆铜上层1包括分布在四个方位上的四组频率可调定向耦合器11、呈对角线分布在两个方位上的两组宽带移相器12和两组连接线13，按照顺时针方向第一组频率可调定向耦合器11与第一组宽带移相器12、第二组频率可调定向耦合器11、第一组连接线13、第三组频率可调定向耦合器11、第二组宽带移相器12、第四组频率可调定向耦合器11和第二组连接线13依次两两串联构成一闭合环。
上述频率可调定向耦合器11包括两组主支线111、两组副支线112、四组耦合器馈线113、共点114、四组变容管115、电感116、接地片117，所述主支线111、副支线112弯曲，围成封闭的二十边形，二十边形的90度弯曲处的内侧和外侧倒直角，二十边形内部中心处有近似圆形的共点114，所述主支线111与副支线112的四个交点处分别与四组耦合器馈线113相连，所述主支线111、副支线112四个中点位置和共点114之间有四个变容管115，所述共点114通过电感116与接地片117相连，所述接地片117经过金属化接地孔31贯穿了介质层3与金属覆铜下层2相连。
上述宽带移相器12包括有两组平行的耦合线121和与耦合线121垂直的两组移相器馈线123，所述两组耦合线121之间有一条缝122，所述两组耦合线121的一端直接相连，另一端与移相器馈线123相连，所述两组耦合线121分别与两组移相器馈线123呈九十度弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角。
上述连接线13弯曲成具有多个直角拐弯的曲折线，在直角拐弯处的外侧倒直角。
该巴特勒矩阵的频率可调能力来自于频率可调定向耦合器11，该结构的频率可调能力来自变容管115，所述变容管115可以改变主支线111、副支线112的电长度，从而改变定向耦合器的工作频率。所述频率可调定向耦合器11可以利用奇偶模法进行分析和设计，获得以下设计准则：主支线111和副支线112的特征阻抗分别为35.36欧姆和50欧姆，主支线111和副支线112的长度根据选用的变容管115容值变化范围和需要的工作频率可调范围来确定。所述频率可调定向耦合器11的可调范围较宽，普通移相器无法支持如此大的工作频带范围，因此采用宽带移相器12和连接线13来实现较宽范围内的恒定移相量，宽带移相器12中耦合线121的长度和宽度、缝122的长度和宽度可调整以优化移相性能。
金属覆铜上层1上的四组频率可调定向耦合器11中的八根耦合器馈线113分别引出输入端口a、输入端口b、输入端口c、输入端口d、输出端口e、输出端口f、输出端口g、输出端口h。
作为一个实例，一个频率可调的巴特勒矩阵被设计、加工、实验。选用的介质基片介电常数为3.5，厚度0.5mm，损耗角正切为0.0018。测试结果表明，基于SWV1405变容管，巴特勒矩阵中心频率的调节范围可覆盖UMTS上行(1.92～1.98GHz)，UMTS下行(2.11～2.17GHz)，WiFi(2.4～2.48GHz)，和WiMax(2.3～2.4GHz、2.5～2.7GHz)等频率范围。在不同偏置电压下，四个输出端口(端口e、端口f、端口g、端口h)之间幅度不均衡度小于2dB，回波损耗优于15dB，隔离度优于17dB，插入损耗低于2.2dB，且具有较好的相位分布。对此频率可调的巴特勒矩阵馈电的多波束天线性能进行分析，发现其对频间互扰具有很好的抑制作用，相应地降低了整个系统对滤波器的指标要求。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种频率可调的巴特勒矩阵，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层，其特征在于，所述金属覆铜上层包括分布在四个方位上的四组频率可调定向耦合器、呈对角线分布在两个方位上的两组宽带移相器和两组连接线，按照顺时针方向第一组频率可调定向耦合器与第一组宽带移相器、第二组频率可调定向耦合器、第一组连接线、第三组频率可调定向耦合器、第二组宽带移相器、第四组频率可调定向耦合器和第二组连接线依次两两串联构成一闭合环。
2.根据权利要求1所述的一种频率可调的巴特勒矩阵，其特征在于，上述频率可调定向耦合器包括两组主支线、两组副支线、四组耦合器馈线、共点、四组变容管、电感、接地片，所述主支线、副支线弯曲，围成封闭的二十边形，二十边形的九十度弯曲处的内侧和外侧倒直角，二十边形内部中心处有近似圆形的共点，所述主支线与副支线的四个交点处分别与四组耦合器馈线相连，所述主支线、副支线四个中点位置和共点之间有四个变容管，所述共点通过电感与接地片相连，所述接地片经过金属化接地孔贯穿了介质层与金属覆铜下层相连。
3.根据权利要求1所述的一种频率可调的巴特勒矩阵，其特征在于，上述宽带移相器包括有两组平行的耦合线和与耦合线垂直的两组移相器馈线，所述两组耦合线之间有一条缝，所述两组耦合线的一端直接相连，另一端与移相器馈线相连，所述两组耦合线分别与两组移相器馈线呈九十度弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角。
4.根据权利要求1所述的一种频率可调的巴特勒矩阵，其特征在于，上述连接线弯曲成具有多个直角拐弯的曲折线，在直角拐弯处的外侧倒直角。
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