CN103594802B - 一种巴特勒矩阵结构 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种巴特勒矩阵结构，能工作在双频段，结构简化并能降低插入损耗，提高传输效率。该巴特勒矩阵结构包括：多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接,所述多个输出端口的每一个与一天线阵列单元连接；同时，所述多个输入端口位于所述巴特勒矩阵的中间；所述多个输出端口对称位于所述巴特勒矩阵的两侧；所述每个定向耦合器采用两个π型结构对接而成；所述每个移相器采用π型结构。
Description
技术领域
本发明涉及微波天线工程技术领域，具体涉及一种巴特勒矩阵结构。
技术背景
巴特勒(Butler)矩阵的概念最早在1961年被提出。巴特勒矩阵可形成的每个波束都能获得整个天线面提供的增益，它是一种无损增益的多波束形成方法。由于所形成的多波束是正交的，这样对其他复杂天线的方向图的综合十分有利。同时，所形成的多波束既可以用于发射，也可以用于接收，并且可以用各种传输线实现，使得多波束收发天线共用有了可实现性。此外，巴特勒多波束阵列形成网络与其他多波束以及自适应波束形成方法相比，网络结构简单、成本低，易于实现宽频带，作为通信或雷达系统中的多波束天线的馈电网络具有很大的发展应用前景，也被广泛的应用到电子不停车收费系统、卫星通信及雷达系统中。
伴随着无线通信系统的迅速发展，各种商业需求和军事应用对通信设备的要求越来越高，要求系统内部各个元件能在多频段内工作，并且同时满足多个系统的通信要求。而目前传统的巴特勒矩阵结构所使用的定向耦合器和移相器均采用1/4波长传输线结构，因此只能工作在单频段。
随着应用平台的不断扩展，巴特勒矩阵端口的数目也不断增加，巴特勒矩阵的整体结构也愈加复杂，交叉点的个数也大幅上升，随之带来的插入损耗也随之上升。因此，发展出能工作在多频段，结构简单且插入损耗低的巴特勒矩阵结构是本领域的重要研究方向。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种巴特勒矩阵结构，能工作在双频段，结构简化，同时能够降低插入损耗，提高传输效率。
本发明实施例提供的一种巴特勒矩阵结构，包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接，所述多个输出端口的每一个与一天线阵列单元连接，其特征在于：所述多个输入端口位于所述巴特勒矩阵的中间；所述多个输出端口对称位于所述巴特勒矩阵的两侧；所述每个定向耦合器采用两个π型结构对接而成；所述每个移相器采用π型结构。
其中，所述每个定向耦合器的两个π型结构通过两个耦合臂对接组成；所述每个π型结构包括：两个伸出枝节、两个引线枝节以及一个传输臂枝节；所述传输臂枝节的两端分别平行连接一个所述引线枝节并垂直连接一个所述伸出枝节。
其中，每个所述π型结构的两个引线枝节分别作为信号输入端或信号输出端；同时，组成所述定向耦合器的两个所述π型结构的信号输入端位于同一侧。
其中，所述两个π型结构中的四个伸出枝节的长度用于调节两个不同频点的频率比，伸出枝节的宽度用于调节所述定向耦合器的耦合系数。
其中，所述每个移相器的π型结构包括：两个端枝节、一个中间枝节以及两个伸出枝节；所述中间枝节的两端分别平行连接一个端枝节并垂直连接一个伸出枝节。
其中，所述两个端枝节分别作为信号输入端或信号输出端。
其中，所述π型结构中的所述两个伸出枝节用于调节两个不同频点的频率比，所述中间枝节用于对相位参数进行微调，所述两个端枝节用于对相位参数进行大幅度调节。
其中，所述定向耦合器以及所述移相器所采用的π型结构中各枝节的尺寸确定方法为：
通过将所述π型结构与1/4波长传输线结构的传输矩阵等效，得到所述π型结构的传输线阻抗及分支线导纳，并由传输线阻抗及分支线导纳确定所述π型结构中各枝节的尺寸。
其中，所述输入端口的数量为4；所述输出端口的数量为4；所述定向耦合器的数量为4；所述移相器的数量为2。
其中，所述4个输入端口两两一组，形成两个输入组；所述4个输出端口两两一组，形成两个输出组，所述4个定向耦合器分别位于两个输入组之后以及两个输出组之前；一移相器位于一输入组后的定向耦合器和一输出组前的定向耦合器之间；另一移相器位于另一输入组后的定向耦合器和另一输出组前的定向耦合器之间。
其中，所述多个输入端口、所述多个输出端口、所述多个定向耦合器和所述多个移相器之间的连接方式为微带线连接。
其中，所述巴特勒矩阵由双层板蚀刻而成，其中，所述多个定向耦合器以及移相器位于所述双层板的上层。
本发明公开的巴特勒矩阵结构，所使用的移相器采用了π型结构，所使用的定向耦合器采用了两个π型结构对接构成，使巴特勒矩阵能工作在双频段，有效的满足了无线通信系统多频段工作的需求。
本发明公开的巴特勒矩阵结构，将输入端口置于所述馈电网络的中间，且多个输出端口对称位于所述巴特勒矩阵的两侧，从而减少了用于波束转换的定向耦合器的使用。同时，目前的结构排布还减少了交叉点的数量。由于定向耦合器和交叉点数目的减少，降低了插入损耗，提高了传输效率。同时由于结构简化，使得各部分在介质板上分布更加合理，具有一定的小型化特性，让更多端口的巴特勒矩阵的实际应用成为可能。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构的示意图。
图2所示为本发明一实施例提供的定向耦合器的结构示意图。
图3所示为本发明一实施例提供的移相器的结构示意图。
图4所示为本发明一实施例提供的定向耦合器的结构尺寸示意图。
图5所示为本发明一实施例提供的移相器的结构尺寸示意图。
图6所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵的散射参数测试图。
图7所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵的相位测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构，其基本结构包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器。其中，该多个输入端口和多个输出端口之间通过该多个定向耦合器和该多个移相器组成的网络互相连接，每个输出端口与一天线阵列单元连接。
图1所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构的示意图，该巴特勒矩阵的每个输出端口与一天线阵列单元连接。如图1所示，该巴特勒矩阵结构包括：四个输入端口11、12、13和14、四个输出端口41、42、43和44，所述四个输入端口11、12、13和14位于巴特勒矩阵的中间；输出端口41和42与输出端口43和44对称位于巴特勒矩阵的两侧；在该四个输入端口和四个输出端口之间分别有四个定向耦合器21、22、23和24和两个移相器31和32。
具体来说，四个输入端口两两一组，形成两个输入组；所述四个输出端口两两一组，形成两个输出组，所述四个定向耦合器分别位于两个输入组之后以及两个输出组之前；一移相器位于一输入组后的定向耦合器和一输出组前的定向耦合器之间；另一移相器位于另一输入组后的定向耦合器和另一输出组前的定向耦合器之间。即信号从输入端口11和13输入后，经过定向耦合器21后输出为A信号和C信号；信号从输入端口12和14经过定向耦合器22后输出为B信号和D信号。B信号经移相器31处理后与A信号经定向耦合器23处理后，通过输出端口41和42输出；C信号经移相器32处理后与D信号再经定向耦合器24处理后，通过输出端口43和44输出。
输入端口11和13与输入端口12和14位于巴特勒矩阵中间的上下两侧，当信号输入时，从输入端口11和13输入的信号相对从输入端口12和14输入的信号旋转了180°。
在本发明一实施例中，输入端口、输出端口、定向耦合器和移相器之间的连接方式为微带线连接。
在本发明一实施例中，巴特勒矩阵由双层板蚀刻而成，其中定向耦合器以及移相器位于双层板的上层。
本发明实施例公开的巴特勒矩阵结构，所使用的定向耦合器和移相器采用了π型结构或π型结构的组合，这样结构的定向耦合器和移相器可工作在双频段，有效的满足了无线通信系统多频段工作的需求。
下面分别详细描述定向耦合器和移相器的π型结构构成。
图2所示为图1实施例提供的定向耦合器的结构示意图。如图2所示，定向耦合器采用两个π型结构，该两个π型结构通过两个耦合臂231和232对接而成。其中一个π型结构包括：两个伸出枝节201和202、两个引线枝节211和212以及传输臂枝节221；另一个π型结构包括：两个伸出枝节203和204、两个引线枝节213和214以及传输臂枝节222。
传输臂枝节221的两端分别平行连接引线枝节211和212，并垂直连接伸出枝节201和202，组成一个π型网络结构；传输臂枝节222的两端分别平行连接引线枝节213和214，并垂直连接伸出枝节203和204，组成另一个π型网络结构。
其中，每个π型结构的两个引线枝节分别作为信号输入端或信号输出端；同时，该两个π型结构的信号输入端位于同一侧。即，可以是引线枝节211和213作为信号的输入端，引线枝节212和214作为信号的输出端。也可以是引线枝节211和213作为信号的输出端，引线枝节212和214作为信号的输入端。
四个伸出枝节201、202、203和204的长度用来调节两个不同频点的频率比，伸出枝节宽度可调节定向耦合器的耦合系数；从而使定向耦合器实现双频段工作。
图3所示为图1实施例提供的移相器的结构示意图，如图3所示，移相器由一个π型结构构成。该π型结构包括：两个端枝节301和302、中间枝节311以及两个伸出枝节321和322；中间枝节311的两端分别平行连接端枝节301和302，并垂直连接两个伸出枝节321和322，组成π型结构。
其中，两个端枝节分别作为信号的输入端或输出端。比如，可以是端枝节302作为信号的输入端，端枝节301作为信号的输出端。也可以是端枝节301作为信号的输入端，端枝节302作为信号的输出端。
两个伸出枝节321和322用来调节两个不同频点的频率比，中间枝节311用来对移相器的相位参数进行微调，两个端枝节301和302用来对相位参数进行大幅度调节，从而使移相器实现双频段工作。
本发明实施例所提供的巴特勒矩阵，所使用的移相器采用了π型结构，所使用的定向耦合器采用了两个π型结构对接构成。如果传统的单频工作的定向耦合器和移相器所使用结构为1/4波长传输线结构，为了使其能实现双频段工作，要首先将π型结构与1/4波长传输线结构的传输矩阵等效，得到π型结构的传输线阻抗及分支线导纳，并由传输线阻抗及分支线导纳确定π型结构中各枝节的尺寸。
在本发明一实施例中，图2所提供定向耦合器的具体尺寸如图4所示：四个伸出枝节201、202、203和204的长度为15mm，宽度为2.2mm；四个引线枝节211、212、213和214的长度为5mm，宽度为2.46mm；两个传输臂枝节221和222的长度为14.9mm，宽度为2.5mm；两个耦合臂231和232的长度为8.5mm，宽度为1.3mm。
在本发明一实施例中，图3所提供移相器的具体尺寸如图5所示：两个伸出枝节321和322的长度为17mm，宽度为1.1mm；所述中间枝节311的长度为13.6mm，宽度为1.7mm；两个端枝节301和302的长度与宽度分别为33.6mm，2.46mm。
下面以实际测量数据证明本发明实施例的有益效果。
图6所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵的散射参数测试图，利用CST电磁仿真软件对图1中实施例所提供的巴特勒矩阵进行了在2.4GHz频段工作时的计算仿真，并测试了散射参数。如图6所示，在2.4GHz频段工作时，四个输出端口41、42、43和44传输信号的散射参数分别为-6.3dB、-6.2dB、-6.6dB和-6.1dB，由此可见从四个输出端口41、42、43和44传输的散射参数基本相等，可以达到等幅输出的要求。
图7所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵的相位测试图，对图1中实施例所提供的巴特勒矩阵进行了在2.4GHz或5.8GHz频段工作时各输出端口的相位进行了测试。如图7所示，在2.4GHz频段工作时，四个输出端口41、42、43和44输出信号的相位分别为-161.5°、153.7°、110.2°和65.3°，四个端口中相邻端口的相位差均在45°左右；在5.8GHz频段工作时，四个输出端口41、42、43和44输出信号的相位分别为164.8°、122.9°、78.8°和35.7°，四个端口中相邻端口的相位差均在45°左右。
由此可见，利用图1中实施例所提供的巴特勒矩阵结构，可以实现能量在四个输出端口的等幅输出，并且各端口输出信号的相位均相差45°。此时在各输出端口连接天线单元，可以使天线单元组成天线阵列，形成网络信号覆盖。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种巴特勒矩阵结构，包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接，所述多个输出端口的每一个与一天线阵列单元连接，其特征在于：所述多个输入端口位于所述巴特勒矩阵的中间；所述多个输出端口对称位于所述巴特勒矩阵的两侧；所述每个定向耦合器采用两个π型结构对接而成；所述每个移相器采用π型结构；
所述每个移相器的π型结构包括：两个端枝节、一个中间枝节以及两个伸出枝节；所述中间枝节的两端分别平行连接一个端枝节并垂直连接一个伸出枝节；
所述π型结构中的所述两个伸出枝节用于调节两个不同频点的频率比，所述中间枝节用于对相位参数进行微调，所述两个端枝节用于对相位参数进行大幅度调节。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述每个定向耦合器的两个π型结构通过两个耦合臂对接组成；所述每个π型结构包括：两个伸出枝节、两个引线枝节以及一个传输臂枝节；所述传输臂枝节的两端分别平行连接一个所述引线枝节并垂直连接一个所述伸出枝节。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，每个所述π型结构的两个引线枝节分别作为信号输入端或信号输出端；同时，组成所述定向耦合器的两个所述π型结构的信号输入端位于同一侧。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述两个π型结构中的四个伸出枝节的长度用于调节两个不同频点的频率比，伸出枝节的宽度用于调节所述定向耦合器的耦合系数。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述两个端枝节分别作为信号输入端或信号输出端。
6.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述定向耦合器以及所述移相器所采用的π型结构中各枝节的尺寸确定方法为：
通过将所述π型结构与1/4波长传输线结构的传输矩阵等效，得到所述π型结构的传输线阻抗及分支线导纳，并由传输线阻抗及分支线导纳确定所述π型结构中各枝节的尺寸。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述输入端口的数量为4；所述输出端口的数量为4；所述定向耦合器的数量为4；所述移相器的数量为2。
8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，所述4个输入端口两两一组，形成两个输入组；所述4个输出端口两两一组，形成两个输出组，所述4个定向耦合器分别位于两个输入组之后以及两个输出组之前；一移相器位于一输入组后的定向耦合器和一输出组前的定向耦合器之间；另一移相器位于另一输入组后的定向耦合器和另一输出组前的定向耦合器之间。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述多个输入端口、所述多个输出端口、所述多个定向耦合器和所述多个移相器之间的连接方式为微带线连接。
10.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述巴特勒矩阵由双层板蚀刻而成，其中，所述多个定向耦合器以及移相器位于所述双层板的上层。
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Legal Events
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