CN103414022B - 一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3×3Butler矩阵，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；还涉及一种5×6Butler矩阵，包括第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵、第四定向耦合器、第五定向耦合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器。本发明提供的3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵具有尺寸小、频带宽、损耗小、高隔离度且性能稳定的特点，填补了现有技术中关于3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵的具体技术方案的空白，具有广泛的应用前景和价值。

Description

一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，更具体地涉及一种用于波束形成网络的3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵。

背景技术

随着移动通信技术的迅速发展和移动通信业务量的急剧增加，正面临着通信小区间信号干扰强、频谱容量不足和信号覆盖窄等问题。多波束天线可以同时产生多个波束的方向图特性，可以增加网络容量；另外，多波束天线易实现窄波束和高增益，可以降低信号干扰和增加覆盖距离。因此，多波束天线具有广泛的应用前景和价值。

其中，Butler（巴特勒）矩阵是多波束天线的重要组成部分，是产生多波束特性的关键部件。然而，现有技术中的Butler（巴特勒）矩阵的尺寸较大，频带较窄，且具有较高的耗损，有待于进一步地完善。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种尺寸小、频带宽、损耗小、高隔离度且性能稳定的3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种3×3Butler矩阵，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述3×3Butler矩阵有三个输入端口和三个输出端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；

所述第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口，所述第一定向耦合器的第二输入端连接到第二输入端口，第一定向耦合器的第一输入端连接到第三输入端口；第一定向耦合器的第一输出端通过第一固定移相器连接到第三定向耦合器的第一输入端，第一定向耦合器的第二输出端与第二定向耦合器的第一输入端连接，第二定向耦合器的第一输出端与第三定向耦合器的第二输入端连接，第二定向耦合器的第二输出端通过第三固定移相器连接到第一输出端口，第三定向耦合器的第二输出端通过第二固定移相器连接到第二输出端口，第三定向耦合器的第一输出端连接到第三输出端口；

其中，所述第一固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输入端到第一输出端的传输相位延迟90度，所述第二固定移相器的传输相位相对于第三定向耦合器的第一输出端到第三输出端口的传输相位延迟90度，所述第三固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输出端到第二输出端口的传输相位延迟90度。

进一步地，所述第一至三定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧。

进一步地，第一定向耦合器和第三定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率相等，分别是输入信号功率的一半；

第二定向耦合器为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；

当从第一、第二或第三定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。

进一步地，所述第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器为微带结构或带状线结构。

进一步地，所述第一至三定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。

进一步地，所述第一至三固定移相器的结构包括相互串联的阻抗相同的两段1/4λ传输线和在这两个传输线的中点处连接并联加载的1/4λ短路传输线或1/2λ开路传输线，λ为固定移相器工作频段的中心频率。

一种5×6Butler矩阵，包括第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵、第四定向耦合器、第五定向耦合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述功分器具有输入端、第一输出端和第二输出端；

所述5×6Butler矩阵有五个输入端口和六个输出端口，分别为第一至五输入端口和第一至六输出端口；

所述功分器的输入端连接到5×6Butler矩阵的第一输入端口，功分器的第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第一输入端口，功分器的第一输出端连接到第一3×3Butler矩阵的第一输入端口；所述第五定向耦合器的第二输入端连接到5×6Butler矩阵的第二输入端口，第一输入端连接到5×6Butler矩阵的第三输入端口，第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第二输入端口，第一输出端通过第五固定移相器连接到第一3×3Butler矩阵的第二输入端口；所述第四定向耦合器的第二输入端连接到5×6Butler矩阵的第四输入端口，第一输入端连接到5×6Butler矩阵的第五输入端口，第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第三输入端口，第一输出端通过第四固定移相器连接到第一3×3Butler矩阵的第三输入端口；所述第二3×3Butler矩阵5的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别连接到5×6Butler矩阵的第一输出端口、第五输出端口和第三输出端口，第一3×3Butler矩阵4的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别连接到5×6Butler矩阵的第二输出端口、第六输出端口和第四输出端口；

所述第四固定移相器为30°超前移相器，所述第五固定移相器为150°超前移相器。

进一步地，所述第四定向耦合器和第五定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧；

所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率相等，分别是输入信号功率的一半；

当从第四或第五定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。

进一步地，所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。

进一步地，所述功分器为等功率、等相位功分器。

本发明提供的一种3×3Butler矩阵的输出端口可以连接3个天线阵列，在三个输入端口分别生成3个不同指向的波束。本发明提供的一种5×6Butler矩阵的输出端口可以连接5个天线阵列，在五个输入端口分别生成5个不同指向的波束。本发明提供的3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵具有尺寸小、频带宽、损耗小、高隔离度且性能稳定的特点，填补了现有技术中关于3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵的具体技术方案的空白，具有广泛的应用前景和价值。

附图说明

图1是本发明实施例一的拓扑结构图。

图2本发明实施例一的微带结构示意图。

图3是本发明实施例一中的第二固定移相器的结构示意图。

图4是本发明实施例一的S参数仿真结果图。

图5是图4的仿真结果参数表。

图6是本发明实施例二的拓扑结构图。

图7本发明实施例二的部分微带结构示意图。

图8是图7中的第四固定移相器的结构示意图。

图9是本发明实施例二的S参数仿真结果图。

图10和图11是图9的仿真结果参数表。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

请参照图1和图2，本发明实施例提供的一种3×3Butler（巴特勒）矩阵由第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第一固定移相器4、第二固定移相器5和第三固定移相器6组成；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述3×3Butler矩阵有3个信号输入端口，分别为第一输入端口in1、第二输入端口in2和第三输入端口in3，有3个输出端口，分别为第一输出端口out1、第二输出端口out2和第三输出端口out3。

本发明实施例中各部件的连接关系如图1所示，所述第二定向耦合器2的第二输入端2b连接到第一输入端口in1，所述第一定向耦合器1的第二输入端1b连接到第二输入端口in2，第一定向耦合器1的第一输入端1a连接到第三输入端口in3；第一定向耦合器1的第一输出端1d通过第一固定移相器4连接到第三定向耦合器3的第一输入端3a，第一定向耦合器1的第二输出端1c与第二定向耦合器2的第一输入端2a连接，第二定向耦合器2的第一输出端2d与第三定向耦合器3的第二输入端3b连接，第二定向耦合器2的第二输出端2c通过第三固定移相器6连接到第一输出端口out1，第三定向耦合器3的第二输出端3c通过第二固定移相器5连接到第二输出端口out2，第三定向耦合器3的第一输出端3d连接到第三输出端口out3。

第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均可以采用微带或带状线结构来实现。在本发明实施例中，第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均采用微带结构来实现。

所述第一至三定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。在本发明实施例中，第一至三定向耦合器都采用2阶分支线耦合器（branch line coupler）结构来实现，请参照图2。所述第一至三定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧。所述第一至三定向耦合器具有90度相移特性，即当从第一、第二或第三定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。

具体地，第一定向耦合器1为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从第一定向耦合器1的第一输入端1a馈电时，第一输出端1d与第二输出端1c的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端1c的输出相位相对于第一输出端1d的相位延迟90度。类似地，当信号从第一定向耦合器1的第二输入端1b馈电时，第一输出端1d与第二输出端1c的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第一输出端1d的输出相位相对于第二输出端1c的输出相位延迟90度。

第二定向耦合器2为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器。当信号从第二定向耦合器2的第一输入端2a馈电时，第一输出端2d的分配功率是第二输出端2c的分配功率的一半，即第一输出端2d的分配功率是输入信号功率的1/3，第二输出端2c的分配功率是输入信号功率的2/3，第二输出端2c的输出相位相对于第一输出端2d的相位延迟90度。类似地，当信号从第二定向耦合器2的第二输入端2b馈电时，第二输出端2c的分配功率是第一输出端2d的分配功率的一半，即第二输出端2c的分配功率是输入信号功率的1/3，第一输出端2d的分配功率是输入信号功率的2/3，第一输出端2d的输出相位相对于第二输出端2c的相位延迟90度。

第三定向耦合器3为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从第三定向耦合器3的第一输入端3a馈电时，第一输出端3d与第二输出端3c的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端3c的输出相位相对于第一输出端3d的相位延迟90度。类似地，当信号从第三定向耦合器3的第二输入端3b馈电时，第一输出端3d与第二输出端3c的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第一输出端3d的输出相位相对于第二输出端3c的输出相位延迟90度。

进一步地，第一固定移相器4位于第一定向耦合器1的第一输出端1d和第三定向耦合器3第一输入端3a之间，第一固定移相器4的传输相位相对于第二定向耦合器2的第一输入端2a到第一输出端2d的传输相位延迟90度；第二固定移相器5位于第三定向耦合器3的第二输出端3c和第二输出端口out2之间，为90度滞后移相器，即第二固定移相器5的传输相位相对于第三定向耦合器3的第一输出端3d到第三输出端口out3的传输相位延迟90度；第三固定移相器6位于第二定向耦合器2的第二输出端2c和第一输出端口out1之间，第三固定移相器6的传输相位相对于第二定向耦合器2的第一输出端2d到第二输出端口out2的传输相位延迟90度。

为了实现移相器的宽频特性，在本发明实施例中，第一至三固定移相器采用1/4波长短路加载枝节结构，所述第一至三固定移相器的结构包括相互串联且阻抗相同的两段1/4λ传输线和在这两个传输线的中点处连接并联加载的1/4λ短路传输线。

由于第一至三固定移相器的结构相似，原理相同，在此仅以第二固定移相器5为例，分析其结构和原理，请参照图3。第二固定移相器5由5段传输线组成，包括依次连接的3c-5a、5a-5b、5b-5c、5c-out2段传输线和连接于3c-out2中点的5b-5s段传输线，其中3c-5a和5c-out2段传输线为50欧姆传输线，5a-5b和5b-5c段的传输线的线宽(阻抗)相同，电长度相同，都为1/4λ（λ为固定移相器工作频段的中心频率），5b-5s段为并联加载的1/4λ短路传输线，终端通过导电孔5s与地板（未画出）短路。首先，通过调节3c-5a与5c-out2段的线长，可以使3c-out2段传输线在中心频率的传输相位相对3d-out3段传输线的传输相位延迟90°，再通过调节5a-5c和5b-5s段传输线的宽度（阻抗）来调节3c-out2段传输线在中心频率的传输相位相对3d-out3段传输线的延迟相位数值，选择合适的线宽（阻抗），可以使3c-out2段传输线在整个工作频段的传输相位相对3d-out3段传输线延迟90°，误差在±2°以内，从而实现移相器的宽频设计。

本发明实施例的工作原理如下：

射频信号若从第一输入端口in1输入，信号首先经过第二定向耦合器2后分出两路信号，第二定向耦合器2的第一输出端2d信号为2/3∠-90°，第二输出端2c信号为1/3∠0°，其中信号2/3∠-90°流向第三定向耦合器3，信号1/3∠0°流向第三固定移相器6。信号2/3∠-90°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3d、第二输出端3c信号分别为1/3∠-180°、1/3∠-90°，第三输出端口out3输出信号为1/3∠-180°；信号1/3∠-90°经过第二固定移相器5后，第二输出端口out2输出信号为1/3∠-180°；而第二定向耦合器2的第二输出端2c的信号1/3∠0°经过第三固定移相器6后，第一输出端口out1输出信号为1/3∠-180°。因此，若从第一输入端口in1输入信号后，则第一输出端口out1、第二输出端口out2、第三输出端口out3的输出信号分别为1/3∠-180°、1/3∠-180°、1/3∠-180°，即当从第一输入端口in1馈电时，第一至三输出端口的信号等幅等相。

射频信号若从第二输入端口in2输入，信号首先经过第一定向耦合器1后分出两路信号，第一定向耦合器1的第一输出端1d信号为1/2∠-90°，第二输出端1c信号为1/2∠0°，其中信号1/2∠0°流向第二定向耦合器2，信号1/2∠-90°流向第一固定移相器4。信号1/2∠0°经过第二定向耦合器2后，第二定向耦合器2的第一输出端2d、第二输出端2c的信号分别为1/6∠0°、1/3∠-90°，其中信号1/6∠0°流向第三定向耦合器3，信号1/3∠-90°流向第三固定移相器6，其中信号1/6∠0°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3d、第二输出端3c信号分别为1/12∠-90°、1/12∠0°，信号1/12∠0°再经过第二固定移相器5后，第二输出端口out2的信号为1/12∠-90°，其中信号1/3∠-90°经过第三固定移相器6后，第一输出端口out1的信号为1/3∠-270°；第一定向耦合器1的第一输出端1d的信号1/2∠-90°经过第一固定移相器4后，第三定向耦合器3的第一输入端3a信号为1/2∠-180°，信号1/2∠-180°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3d、第二输出端3c信号分别为1/4∠-180°、1/4∠-270°，1/4∠-270°经过第二固定移相器5后，第二输出端口out2的信号为1/4∠-360°。第二输入端口in2到第二输出端口out2的信号为信号1/12∠-90°与信号1/4∠-360°的矢量叠加，为1/3∠-30°；第二输入端口in2到第二输出端口out3的信号为信号1/12∠-90°与信号1/4∠-180°的矢量叠加，为1/3∠-150°；因此，若从第二输入端口in2输入信号后，则第一输出端口out1、第二输出端口out2、第三输出端口out3的信号分别为1/3∠-270°、1/3∠-30°、1/3∠-150°，即当从第二输入端口in2馈电时，第一至三输出端口的信号等幅相等，相邻输出端口的分配功率相位差为-120°。

射频信号若从第三输入端口in3输入，信号首先经过第一定向耦合器1后分出两路信号，第一输出端1d信号为1/2∠0°，第二输出端1c信号为1/2∠-90°，其中信号1/2∠-90°流向第二定向耦合器2，信号1/2∠0°流向第一固定移相器4。信号1/2∠-90°经过第二定向耦合器2后，第二定向耦合器2的第一输出端2d、第二输出端2c信号分别为1/6∠-90°、1/3∠-180°，其中信号1/6∠-90°流向第三定向耦合器3，信号1/3∠-180°流向第三固定移相器6，其中信号1/6∠-90°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3d、第二输出端3c的信号分别为1/12∠-180°、1/12∠-90°，信号1/12∠-90°再经过第二固定移相器5后，第二输出端口out2的信号为1/12∠-180°，其中信号1/3∠-180°经过第三固定移相器6后，第一输出端口out1的信号为1/3∠-360°；信号1/2∠0°经过第一固定移相器4后，第三定向耦合器3的第一输入端3a信号为1/2∠-90°，信号1/2∠-90°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3d、第二输出端3c信号分别为1/4∠-90°、1/4∠-180°，1/4∠-180°经过第二固定移相器5后，第二输出端口out2的信号为1/4∠-270°。第三输入端口in3到第二输出端口out2信号为信号1/12∠-180°与信号1/4∠-270°的矢量叠加，为1/3∠-240°；第三输入端口in3到第三输出端口out3的信号为信号1/12∠-180°与信号1/4∠-90°的矢量叠加，为1/3∠-120°；因此，若从第三输入端口in3输入信号后，则第一输出端口out1、第三输出端口out2、第三输出端口out3的信号分别为1/3∠-360°、1/3∠-240°、1/3∠-120°，即当从第三输入端口in3馈电时，第一至三输出端口的信号等幅相等，相邻输出端口的分配功率相位差为+120°。

图4至图5为本发明实施例的IE3D仿真结果，端口1、2、3分别对应第一输入端口in1、第二输入端口in2、第三输入端口in3，端口4、5、6分别对应第一输出端口out1、第三输出端口out2、第三输出端口out3。从图中可以看到，第一输入端口in1、第二输入端口in2、第三输入端口in3三波束端口的回波损耗在宽频频段1710-217MHz内都在-23dB以下，第一至三输入端口之间的隔离度在工作频率范围内均大于26dB。当从第一输入端口in1输入时，第一至三输出端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在0°±1°范围内，幅度都在-5.0±0.4dB范围内，损耗小于0.3dB；当从第二输入端口in2输入时，第一至三输出端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在-120°±4°范围内，幅度都在-5.0±0.2dB范围内，损耗小于0.3dB；当从第三输入端口in3输入时，第一至三输出端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在120°±2°范围内，幅度都在-5.05±0.4dB范围内，损耗小于0.3dB。

本发明实施例提供的一种3×3Butler矩阵的输出端口可以连接3个天线阵列，在三个输入端口分别生成3个不同指向的波束。

实施例二

请参照图6和图7，本发明实施例提供的一种5×6Butler矩阵由第四定向耦合器1、第五定向耦合器2、功分器3、第一3×3Butler矩阵4、第二3×3Butler矩阵5、第四固定移相器6和第五固定移相器7组成；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述5×6巴特勒矩阵有5个信号输入端口，分别为第一输入端口in1、第二输入端口in2、第三输入端口in3、第四输入端口in4、第五输入端口in5，有6个输出端口，分别为第一输出端口out1、第二输出端口out2、第三输出端口out3、第四输出端口out4、第五输出端口out5、第六输出端口out6。所述功分器3具有输入端3a、第一输出端3c和第二输出端3b。

本发明实施例中各部件的连接关系如图6所示，所述功分器3的输入端3a连接到5×6Butler矩阵的第一输入端口in1，功分器3的第二输出端3b连接到第二3×3Butler矩阵5的第一输入端口5c，功分器3的第一输出端3c连接到第一3×3Butler矩阵4的第一输入端口4c；所述第五定向耦合器2的第二输入端2b连接到5×6Butler矩阵的第二输入端口in2，第一输入端2a连接到5×6Butler矩阵的第三输入端口in3，第二输出端2c连接到第二3×3Butler矩阵5的第二输入端口5b，第一输出端2d通过第五固定移相器7连接到第一3×3Butler矩阵4的第二输入端口4b；所述第四定向耦合器1的第二输入端1b连接到5×6Butler矩阵的第四输入端口in4，第一输入端1a连接到5×6Butler矩阵的第五输入端口in5，第二输出端1c连接到第二3×3Butler矩阵5的第三输入端口5a，第一输出端1d通过第四固定移相器6连接到第一3×3Butler矩阵4的第三输入端口4a；所述第二3×3Butler矩阵5的第一输出端口5d、第二输出端口5e和第三输出端口5f分别连接到5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第五输出端口out5和第三输出端口out3，第一3×3Butler矩阵4的第一输出端口4d、第二输出端口4e和第三输出端口4f分别连接到5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第六输出端口out6和第四输出端口out4。

具体地，第四定向耦合器1和第五定向耦合器2均为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其工作原理与实施例一中的第一定向耦合器和第三定向耦合器相同，在此不再赘述。

由于本发明实施例采用了实施例一中提供的3×3Butler矩阵，为免示意图过于复杂，图7省略了第一3×3Butler矩阵4和第二3×3Butler矩阵5，仅示出了图6中的节点a、b、c、d、e、f以下部分的结构。具体地，在本发明实施例中，第四定向耦合器1和第五定向耦合器2都采用宽频分支线耦合器（branch linecoupler）结构来实现。与实施例一中的第一至三定向耦合器的结构相同，所述第四定向耦合器1和第五定向耦合器2的结构的形状也呈“日”字型，其中左下角和右下角的两个节点分别为第一输入端和第二输入端，左上角和右上角的两个节点分别为第一输出端和第二输出端。

所述功分器3为等功率、等相位功分器，即当信号从功分器3的输入端3a馈电时，功分器3的第一输出端3c和第二输出端3b信号相位相等，幅度相同。在本发明实施例中，功分器3采用3dB威尔金森（Wilkinson）功分器结构来实现。

进一步地，所述第四固定移相器6为30°超前移相器，位于第四定向耦合器1的第一输出端1d和第一3×3Butler矩阵4的第三输入端口4a之间；第五固定移相器7为150°超前移相器，位于第五定向耦合器2的第一输出端2d和第一3×3Butler矩阵4的第二输入端口4b之间。

为了实现移相器的宽频特性，在本发明实施例中，由于第四、第五固定移相器的结构相似，原理相同，在此仅以第四固定移相器6为例，分析其结构和原理，请参照图8。第四固定移相器6由3段传输线组成，分别为1d-6a、6a-f、6a-6b段传输线，其中1d-6a和6a-f段的传输线的线宽(阻抗)相同，电长度相同，都为1/4λ（λ为移相器工作频段的中心频率），6a-6b段为并联加载的1/4λ短路传输线，终端通过导电孔6s与地板（未画出）短路。首先通过调节1c-e段传输线的长度，可以使1d-f段传输线在中心频率的传输相位相对1c-e段传输线的传输相位超前30°，再通过调节1d-f和6a-6b段传输线的宽度（阻抗）改变1d-f段传输线在整个频段内的传输相位相对1c-e段传输线的超前相位数值，通过选择合适的1d-f和6a-6b段传输线线宽（阻抗），可以使1d-f段传输线在整个工作频段的传输相位相对1c-e段传输线超前30°，误差在±1°以内。

第一3×3Butler矩阵4和第二3×3Butler矩阵5的具体结构与实施例一中提供的结构相同，在此不再赘述。

进一步地，在本发明实施例中，节点a、b、c、d、e、f与第一3×3Butler矩阵4的第一至三输入端口和第二3×3Butler矩阵5的第一至三输入端口之间用相同长度的50欧姆电缆连接（未画出）。

本发明实施例的工作原理如下：

射频信号若从第一输入端口in1输入，信号首先经过功分器3后分出两路信号，功分器3的第一输出端3c信号为1/2∠0°，流向第一3×3Butler矩阵4，经过第一3×3Butler矩阵4后，5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第四输出端口out4、第六输出端口out6的信号分别为1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°；功分器3的第二输出端3b信号为1/2∠0°，流向第二3×3Butler矩阵5，经过第二3×3Butler矩阵5后，5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第三输出端口out3、第五输出端口out5的信号分别为1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°。因此，若从第一输入端口in1输入信号后，则第一至六输出端口的信号分别为1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°、1/6∠0°，相邻输出端口的分配功率幅度相同，为1/6，相邻输出端口的分配功率相位差为0°。

射频信号若从第二输入端口in2输入，信号首先经过第五定向耦合器2和第五固定移相器7后分出两路信号，第五定向耦合器2的第一输出端2d信号为1/2∠-90°，通过第五固定功分器7后信号为∠+60°，流向第一3×3Butler矩阵4，经过第一3×3Butler矩阵4后，5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第六输出端口out6、第四输出端口out4的信号分别为1/6∠+60°、1/6∠-60°、1/6∠-180°；第五定向耦合器2的第二输出端2c信号为1/2∠0°，流向第二3×3Butler矩阵5，经过第二3×3Butler矩阵5后，5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第五输出端口out5、第三输出端口out3的信号分别为1/6∠0°、1/6∠-120°、1/6∠-240°。因此，若从第二输入端口in2输入信号后，则第一至六输出端口的信号分别为1/6∠0°、1/6∠+60°、1/6∠-240°、1/6∠-180°、1/6∠-120°、1/6∠-60°，相邻输出端口的分配功率幅度相同，为1/6，相邻输出端口的分配功率相位差为+60°。

射频信号若从第三输入端口in3输入，信号首先经过第五定向耦合器2和第五固定移相器7后分出两路信号，第五定向耦合器2的第一输出端2d信号为1/2∠0°，通过第五固定功分器7后信号为∠+150°，流向第一3×3Butler矩阵4，经过第一3×3Butler矩阵4后，5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第六输出端口out6、第四输出端口out4的信号分别为1/6∠+150°、1/6∠+30°、1/6∠-90°；第五定向耦合器2的第二输出端2c信号为1/2∠-90°，流向第二3×3Butler矩阵5，经过第二3×3Butler矩阵5后，5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第五输出端口out5、第三输出端口out3的信号分别为1/6∠-90°、1/6∠-210°、1/6∠-330°。因此，若从第三输入端口in3输入信号后，则第一至六输出端口的信号分别为1/6∠-90°、1/6∠+150°、1/6∠-330°、1/6∠-90°、1/6∠-210°、1/6∠+30°，相邻输出端口的分配功率幅度相同，为1/6，相邻输出端口的分配功率相位差为-120°。

射频信号若从第四输入端口in4输入，信号首先经过第四定向耦合器1和第四固定移相器6后分出两路信号，第四定向耦合器1的第一输出端1d信号为1/2∠-90°，通过第四固定功分器6后信号为∠-60°，流向第一3×3Butler矩阵4，经过第一3×3Butler矩阵4后，5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第六输出端口out6、第四输出端口out4的信号分别为1/6∠-60°、1/6∠+60°、1/6∠+180°；第四定向耦合器1的第二输出端1c信号为1/2∠0°，流向第二3×3Butler矩阵5，经过第二3×3Butler矩阵5后，5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第五输出端口out5、第三输出端口out3的信号分别为1/6∠0°、1/6∠+120°、1/6∠+240°。因此，若从第四输入端口in4输入信号后，则第一至六输出端口的信号分别为1/6∠0°、1/6∠-60°、1/6∠+240°、1/6∠+180°、1/6∠+120°、1/6∠+60°，相邻输出端口的分配功率幅度相同，为1/6，相邻输出端口的分配功率相位差为-60°。

射频信号若从第五输入端口in5输入，信号首先经过第四定向耦合器1和第四固定移相器6后分出两路信号，第四定向耦合器1的第一输出端1d信号为1/2∠0°，通过第四固定功分器6后信号为∠+30°，流向第一3×3Butler矩阵4，经过第一3×3Butler矩阵4后，5×6Butler矩阵的第二输出端口out2、第六输出端口out6、第四输出端口out4的信号分别为1/6∠+30°、1/6∠+150°、1/6∠+270°；第四定向耦合器1的第二输出端1c信号为1/2∠-90°，流向第二3×3Butler矩阵5，经过第二3×3Butler矩阵5后，5×6Butler矩阵的第一输出端口out1、第五输出端口out5、第三输出端口out3的信号分别为1/6∠-90°、1/6∠+30°、1/6∠+150°。因此，若从第五输入端口in5输入信号后，则第一至六输出端口的信号分别为1/6∠-90°、1/6∠+30°、1/6∠+150°、1/6∠+270°、1/6∠+30°、1/6∠+150°，相邻输出端口的分配功率幅度相同，为1/6，相邻输出端口的分配功率相位差为+120°。

图9至图11为本发明实施例的IE3D仿真结果，仿真过程中，节点a、b、c、d、e、f与第一3×3Butler矩阵4的第一至三输入端口和第二3×3Butler矩阵5的第一至三输入端口之间的电缆用50欧姆的传输线代替，端口1、2、3、4、5分别对应第一至五输入端口，端口6、7、8、9、10、11分别对应第一至六输出端口。从图中可以看到，第一至五输入端口的五波束端口的回波损耗在宽频频段1710-217MHz内都在-22dB以下，第一至五输入端口之间的隔离度在工作频率范围内均大于22dB。当从第一输入端口in1输入信号时，第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在0°±2°范围内，幅度都在-8.1±0.5dB范围内，损耗小于0.5dB；当从第二输入端口in2输入信号时，第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在+60°±4.5°范围内，幅度都在-8.15±0.22dB范围内，损耗小于0.5dB；当从第三输入端口in3输入信号时，第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在-120°±2°范围内，幅度都在-8.16±0.2dB范围内，损耗小于0.5dB；当从第四输入端口in4输入信号时，第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在-60°±2°范围内，幅度都在-8.07±0.4dB范围内，损耗小于0.5dB；当从第五输入端口in5输入信号时，第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在+120°±2°范围内，幅度都在-8.22±0.52dB范围内，损耗小于0.5dB。

本发明实施例提供的一种5×6Butler矩阵的输出端口可以连接5个天线阵列，在五个输入端口分别生成5个不同指向的波束。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种3×3Butler矩阵，其特征在于，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述3×3Butler矩阵有三个输入端口和三个输出端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；

所述第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口，所述第一定向耦合器的第二输入端连接到第二输入端口，第一定向耦合器的第一输入端连接到第三输入端口；第一定向耦合器的第一输出端通过第一固定移相器连接到第三定向耦合器的第一输入端，第一定向耦合器的第二输出端与第二定向耦合器的第一输入端连接，第二定向耦合器的第一输出端与第三定向耦合器的第二输入端连接，第二定向耦合器的第二输出端通过第三固定移相器连接到第一输出端口，第三定向耦合器的第二输出端通过第二固定移相器连接到第二输出端口，第三定向耦合器的第一输出端连接到第三输出端口；

其中，所述第一固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输入端到第一输出端的传输相位延迟90度，所述第二固定移相器的传输相位相对于第三定向耦合器的第一输出端到第三输出端口的传输相位延迟90度，所述第三固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输出端到第二输出端口的传输相位延迟90度；

第一定向耦合器和第三定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率相等，分别是输入信号功率的一半；

第二定向耦合器为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；

当从第一、第二或第三定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。

2.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵，其特征在于，所述第一至三定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧。

3.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵，其特征在于，所述第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器为微带结构或带状线结构。

4.根据权利要求3所述的3×3Butler矩阵，其特征在于，所述第一至三定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。

5.根据权利要求3所述的3×3Butler矩阵，其特征在于，所述第一至三固定移相器的结构包括相互串联的阻抗相同的两段1/4λ传输线和在这两个传输线的中点处连接并联加载的1/4λ短路传输线或1/2λ开路传输线，λ为固定移相器工作频段的中心频率。

6.一种5×6Butler矩阵，包括权利要求1至5任一所述的3×3Butler矩阵，其特征在于，包括第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵、第四定向耦合器、第五定向耦合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述功分器具有输入端、第一输出端和第二输出端；

所述5×6Butler矩阵有五个输入端口和六个输出端口，分别为第一至五输入端口和第一至六输出端口；

所述功分器的输入端连接到5×6Butler矩阵的第一输入端口，功分器的第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第一输入端口，功分器的第一输出端连接到第一3×3Butler矩阵的第一输入端口；所述第五定向耦合器的第二输入端连接到5×6Butler矩阵的第二输入端口，第一输入端连接到5×6Butler矩阵的第三输入端口，第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第二输入端口，第一输出端通过第五固定移相器连接到第一3×3Butler矩阵的第二输入端口；所述第四定向耦合器的第二输入端连接到5×6Butler矩阵的第四输入端口，第一输入端连接到5×6Butler矩阵的第五输入端口，第二输出端连接到第二3×3Butler矩阵的第三输入端口，第一输出端通过第四固定移相器连接到第一3×3Butler矩阵的第三输入端口；所述第二3×3Butler矩阵5的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别连接到5×6Butler矩阵的第一输出端口、第五输出端口和第三输出端口，第一3×3Butler矩阵4的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别连接到5×6Butler矩阵的第二输出端口、第六输出端口和第四输出端口；

所述第四固定移相器为30°超前移相器，所述第五固定移相器为150°超前移相器；

所述第四定向耦合器和第五定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧；

所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率相等，分别是输入信号功率的一半；

当从第四或第五定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。

7.根据权利要求6所述的5×6Butler矩阵，其特征在于，所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。

8.根据权利要求6所述的5×6Butler矩阵，其特征在于，所述功分器为等功率、等相位功分器。