CN107331966B - 一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler矩阵，属于无源相控阵雷达技术领域。本发明采用有别于传统平面微带线的微波传输线方式——矩形波导，矩形波导具有损耗更低，承受功率更高的优势，本发明基于矩形波导设计的铁氧体差相移段构成固定移相器使得输出信号在工作频带内有较平坦的相位差值及较低的损耗，有利于应用于大功率波束成形场合；另外本发明Butler矩阵设计中通过三端口矩形波导功分器和90°矩形波导铁氧体差相移对组合形成的三端口器件取代了输入端所使用的常规的3dB耦合电桥，通过这一改进，在系统中融入了开关选择的特性，使得信号的输入端口数量减半，精简了波束成形系统中Butler矩阵前级开关的级数。

Description

一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler矩阵

技术领域

本发明属于无源相控阵雷达技术领域，特别涉及一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶 Butler矩阵。

背景技术

智能天线是一种具有测向和波束成形能力的天线阵列，起初被广泛应用于雷达、声呐及军事通信等领域。智能天线是能够根据自身所处的电磁环境来调节或选择自身参数，从而使通信状态保持最佳的一种天线技术。根据其工作原理可分为如下两类：多波束智能天线及自适应智能天线。相较而言，自适应智能天线具有更优的性能，但因其存在系统算法复杂、暂态反应速度慢以及成本高等不足，其在实际中的广泛应用仍需假以时日。而多波束智能天线中作为多波束阵列形成网络的一种普遍的实现方式——Butler矩阵，因其网络结构简单、成本低、容易在微波射频端实现等优势，使其在移动通信、雷达及声纳领域极具发展前景且备受研究人员关注。

由于Butler矩阵需要在整个工作频段上具有恒定相移的移相器，固定移相器的实现方式尤为重要，一般而言，在微带传输线构成的平面Butler矩阵中固定移相器的实现方式通常是采用一段特定长度的微带传输线来形成具有特定相移度的移相段。虽然上述实现方式简单且成本低廉，但是由于微带线的电长度与频率有关，因而，在工作频段内很难具有较为平坦的相移，并且上述实现方式构成Butler矩阵的输出信号难以在较宽的频带范围内具有恒定的相位差；另外，微带传输线构成的Butler矩阵难以应用在高峰值功率及高平均功率的波束成形场合，比如：采用较短波长(C波段、X波段、Ku波段及毫米波波段)的集中式大功率发射机或若干部大功率发射机的无源相控阵雷达的场合。因此，如何采用合适的物理实现方式构建 Butler矩阵，使得其能够承受更大功率成为本领域技术人员想要解决的技术问题。

综上所述，亟需一种能够克服上述技术问题且具有更优异性能的Butler矩阵。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于矩形波导的大功率二阶及N阶Butler 矩阵。本发明采用有别于传统平面微带线的微波传输线方式——矩形波导，矩形波导具有损耗更低，承受功率更高的优势，本发明基于矩形波导设计的铁氧体差相移段构成固定移相器使得输出信号在工作频带内有较平坦的相位差值及较低的损耗，有利于应用于大功率波束成形场合；另外本发明Butler矩阵设计中通过三端口矩形波导功分器和90°矩形波导铁氧体差相移对组合形成的三端口器件取代常规的3dB耦合电桥，基于这一技术手段，融入了开关选择的特性，使得信号的输入端口数量减半，精简了波束成形系统中Butler矩阵前级开关的级数。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于矩形波导的大功率Butler矩阵的技术方案，具体如下：

技术方案一：

一种基于矩形波导的大功率二阶Butler矩阵，其特征在于，包括一个三端口矩形波导功分器与一个90°矩形波导铁氧体差相移对形成的三端口器件；所述90°矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置；所述矩形波导铁氧体差相移段是由内部设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条形成的非互易器件。

技术方案二：

一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，包括：

N/2个输入端口，N＝2^m，m为大于1的正整数；

N/2个三端口矩形波导功分器与N/2个90°矩形波导铁氧体差相移对形成N/2个三端口器件；其中，所述输入端口分别与N/2个三端口器件连接；

至少一级3dB矩形波导窄边裂缝电桥，第M级具有N/2个3dB矩形波导窄边裂缝电桥， M为大于1的奇数；

至少一级移相器，第M-1级具有N/2个移相器；

至少两级交叉跨线，第M-1级交叉跨线具有一个、两个或者多个；

移相器、交叉跨线与3dB矩形波导窄边裂缝电桥相互交错连接，其中，第M-1级移相器与第M-1级交叉跨线分别与第M级3dB矩形波导窄边裂缝电桥连接；

N个输出端口，所述输出端口与3dB矩形波导窄边裂缝电桥的最后一级连接。

进一步地，本技术方案中90°矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置；所述矩形波导铁氧体差相移段是由内部设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条形成的非互易器件。

进一步地，本技术方案中三端口矩形波导功分器的两个输出端分别与90°矩形波导铁氧体差相移对中两支矩形波导铁氧体差相移段连接形成三端口器件。

进一步地，本技术方案中交叉跨线为两个3dB矩形波导窄边裂缝电桥级联形成的0dB矩形波导窄边裂缝电桥。

进一步地，本技术方案中移相器包括矩形波导和两个矩形波导铁氧体差相移对，其中，每一个矩形波导铁氧体差相移对中其中一支矩形波导铁氧体差相移段分别与所述矩形波导两端连接。

进一步地，本技术方案中与90°矩形波导铁氧体差相移对相连接的三端口矩形波导功分器或者移相器中与两支矩形波导铁氧体差相移段相连接的矩形波导均采用90°H面弯头结构。

相比现有技术，本发明有益效果如下：

(1).本发明采用矩形波导取代平面微带线来实现Butler矩阵设计，由于矩形波导这种微波传输方式本身具有损耗更低，承受功率更高的优势；另外，本发明基于矩形波导设计的铁氧体差相移段构成固定移相器，使得输出信号在工作频带内有较平坦的相位差值及较低的损耗，因此，使得由其构成的Butler矩阵能够应用于大功率波束成形场合。

(2).本发明通过三端口矩形波导功分器和90°矩形波导铁氧体差相移对组合形成的三端口器件取代常规的3dB耦合电桥，基于这一技术手段，融入了开关选择的特性，使得信号的输入端口数量减半，有效减少了波束成形系统中Butler矩阵前级开关的级数。

(3).本发明中通过简单调节矩形波导中铁氧体条的几何参数得到具有固定相移度的移相器，同时使得组装后的调试更加方便准确。

(4).本发明采用基于矩形波导设计的铁氧体差相移段这一技术手段，方便通过外部磁路的方式进行磁化，通过改变磁化电磁铁内极化电流的大小及方向来调节铁氧体差相移段中铁氧体条的磁化状态，进而使得Butler矩阵满足不同的工作条件，因而在使用中具有实际意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大功率Butler矩阵结构中单支矩形波导铁氧体差相移段的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的大功率的Butler矩阵结构中3dB矩形波导窄边裂缝电桥的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的大功率Butler矩阵结构的T形矩形波导功分器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的四阶大功率Butler矩阵结构的拓扑结构示意图；

图5是本发明实施例提供的四阶大功率Butler矩阵结构的实际结构示意图；

图6是本发明实施例提供的四阶大功率Butler矩阵结构中0dB矩形波导窄边裂缝电桥以及45°矩形波导铁氧体移相器组合结构示意图；

图7是本发明实施例提供的四阶大功率Butler矩阵结构中0dB矩形波导窄边裂缝电桥以及0°矩形波导铁氧体移相器组合结构示意图；

其中：A1为第一T形矩形波导功分器，A2为第二T形矩形波导功分器，B1为第一90°矩形波导铁氧体差相移对，B2为第二90°矩形波导铁氧体差相移对，C1为第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥，C2为第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥，D1为第一45°矩形波导铁氧体移相器，D2为第二45°矩形波导铁氧体移相器，E1为第一3dB矩形波导窄边裂缝电桥，E2 为第二3dB矩形波导窄边裂缝电桥，F1为第一0°矩形波导铁氧体移相器，F2为第二0°矩形波导铁氧体移相器；

1为矩形波导铁氧体差相移段，101为矩形波导铁氧体差相移段的第一端口，102为矩形波导铁氧体差相移段的第二端口，103-106为矩形波导铁氧体差相移段的四个铁氧体条，其中 103为第一铁氧体条，105为第二铁氧体条。104为第三铁氧体条，106为第四铁氧体条；2 为3dB矩形波导窄边裂缝电桥，201为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第一端口，202为3dB 矩形波导窄边裂缝电桥的第二端口，203为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第三端口，204为 3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第四端口；205为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的金属调谐钉， 206为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的耦合缝隙；3为3dB矩形波导窄边裂缝电桥，301为3dB 矩形波导窄边裂缝电桥的第一端口，302为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第二端口，303为 3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第三端口，304为3dB矩形波导窄边裂缝电桥的第四端口，4为第一矩形波导，401为第一矩形波导的第一端口，402为第一矩形波导的第二端口，5为第一矩形波导铁氧体差相移段，501为第一矩形波导铁氧体差相移段的端口，6为第二矩形波导铁氧体差相移段，601为第二矩形波导铁氧体差相移段的端口，7为第三矩形波导铁氧体差相移段，701为第三矩形波导铁氧体差相移段的端口，8为第四矩形波导铁氧体差相移段，801 为第四矩形波导铁氧体差相移段的端口，9为第二矩形波导，901为第二矩形波导的第一端口， 902为第二矩形波导的第二端口，10为第五矩形波导铁氧体差相移段，1001为第五矩形波导铁氧体差相移段的端口，11为第六矩形波导铁氧体差相移段，1101为第六矩形波导铁氧体差相移段的端口，12为第七矩形波导铁氧体差相移段，1201为第七矩形波导铁氧体差相移段的端口，13为第八矩形波导铁氧体差相移段，1301为第八矩形波导铁氧体差相移段的端口。

具体实施方式

为了使得本发明的技术特征及技术内容更加清楚，以下结合说明书附图与具体实施例对本发明进行详细说明：

Butler矩阵是由定向耦合器和具有固定相移的移相器构成的N×N网络。Butler矩阵的本质是将入射波的能量分配到不同的路径中，最终到达不同的输出端口，理想的矩阵中，各个输入端或者各个输出端之间都是相互隔离的，信号从输入端输入然后按照功率大小被平均分配到各个输出端口输出，同时各个输出端口输出的信号之间保持一个恒定的相位差，从而使得天线阵列的主波束指向固定的方向。不同的输入端口对应不同的相位差，从而使得天线阵列的主波束指向不同的方向。在矩阵中，根据不同的需求，定向耦合器和移相器的物理实现方式也不尽相同。本发明提供一种基于矩形波导的大功率Butler矩阵，如图4所示为四阶Butler 矩阵的拓扑结构图，主要包括三种基于矩形波导实现的元件：(1)三端口矩形波导功分器；(2) 矩形波导铁氧体差相移段；(3)3dB矩形波导窄边裂缝电桥；其中：

三端口矩形波导功分器是一种互易器件，若在理想的三端口矩形波导功分器的第一端口和第二端口输入等幅同相且同一频率的信号时，第三端口会输出第一、二端口信号功率的叠加值；根据互易原理，若在理想的三端口矩形波导功分器的第三端口输入信号，信号功率值将折半分别通过第一端口和第二端口等幅同相输出，由此实现同相功率分配器的功能。

矩形波导铁氧体差相移段1包括内部设置可通过外磁路磁化的铁氧体的矩形波导，根据本领域公知常识可知，当在所述矩形波导内对应于圆极化区处设置受到垂直于矩形波导H面的静磁场磁化的铁氧体条时，由于铁氧体对旋转方向不同的磁极化波具有不同的导磁率、不同的相位常数，而波传播方向不同时，同一位置的磁极化波旋转方向相反，因而正、反向波通过铁氧体时产生的相位移就不同，而且这一过程是不可逆的，因而，矩形波导铁氧体差相移段1为非互易器件。如图1所示，信号从端口101进入而从端口102输出产生的信号相移相比于信号从端口102进入而从端口101输出产生的信号相移并不相同，换而言之产生了信号间的相位差值。两支相同的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置，通过合理设置两路信号的进入方式，即可形成在输出端具有特定相位差值的矩形波导铁氧体差相移对。通过合理调节矩形波导内铁氧体的尺寸及相对位置，能够在两支矩形波导铁氧体差相移段的输出端形成特定相位差值，并且通过调节铁氧体材料所受外磁场的磁化方向，能够调节相位差值的正负。

作为优选实施方式，本实施例中矩形波导铁氧体差相移段1的矩形波导内腔上、下H面粘附有沿信号传播方向设置的铁氧体条，设于上H面的第一铁氧体条103和第二铁氧体条105 与设于下H面的第三铁氧体条104和第四铁氧体条106呈上下对称设置。

3dB矩形波导窄边裂缝电桥本质上是一种3dB定向耦合器，在微波系统中定向耦合器是用途非常广泛的一种用于功率分配的四端口器件，在Butler矩阵中，3dB定向耦合器是不可缺少的一部分。3dB定向耦合器的直通和耦合臂的输出等分但有90°相位差。3dB矩形波导窄边裂缝电桥通过在主波导和副的公共窄壁上切去一段作为耦合缝隙，主波导中传输的信号功率会通过耦合机制耦合至副波导中，并且副波导中的耦合功率具有单一方向传播性。如图 2所示，3dB矩形波导窄边裂缝电桥的工作原理为：当信号从端口201输入时，由于缝隙206 的耦合作用，信号功率折半从端口203和端口204输出，且从端口204输出信号的相位相比从端口203输出信号的相位延迟90°，而副波导端口202无信号输出。由3dB矩形波导窄边裂缝电桥的对称性可知，其余端口作为输入端口时仍可得到此特性。耦合缝隙所在上、下H 面中央还设置有调节各个端口的驻波比的金属调谐销钉205。

以下通过四阶Butler矩阵详细说明其连接关系及工作原理：

一种基于矩形波导的大功率四阶Butler矩阵，包括：第一3dB定向耦合器，第二3dB定向耦合器，45°移相器，第一交叉跨线和第二交叉跨线；输入端口与第一3dB定向耦合器连接， 45°移相器和第一交叉跨线连接第一3dB定向耦合器和第二3dB定向耦合器，输出端口分别与第二3dB定向耦合器和第二交叉跨线连接；其特征在于，其中：

所述第一3dB定向耦合器是由两个三端口矩形波导功分器与两个90°矩形波导铁氧体差相移对分别连接形成的两个关于矩阵中心对称设置的三端口器件；

所述第二3dB定向耦合器为两个关于矩阵中心对称设置的3dB矩形波导窄边裂缝电桥；

所述45°移相器为两个关于矩阵中心对称设置的45°矩形波导铁氧体移相器，所述45°矩形波导铁氧体移相器包括：设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥一侧的矩形波导以及分别设置于矩形波导两端口处与分别设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥两个相互直通端口处的两个80°矩形波导铁氧体差相移对；

所述交叉跨线为关于矩阵中心对称设置的0dB矩形波导窄边裂缝电桥；所述0dB矩形波导窄边裂缝电桥为两个相互级联的3dB矩形波导窄边裂缝电桥。

进一步地，矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置，所述矩形波导铁氧体差相移段内设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条。

作为优选实施方式，本发明提供一种如图5所示的大功率四阶Butler矩阵：

一种基于矩形波导的大功率四阶Butler矩阵，其特征在于，包括：第一3dB定向耦合器，第二3dB定向耦合器，第一移相器，第二移相器，第一交叉跨线和第二交叉跨线；输入端口与第一3dB定向耦合器连接，第一移相器和第一交叉跨线连接第一3dB定向耦合器和第二3dB 定向耦合器，第二移相器与第二交叉跨线分别与第二3dB定向耦合器连接，输出端口分别与第二移相器和第二交叉跨线连接；其中：

所述第一3dB定向耦合器是由两个三端口矩形波导功分器A1、A2与两个90°矩形波导铁氧体差相移对B1、B2分别连接形成的两个关于矩阵中心对称设置的三端口器件；

所述第二3dB定向耦合器为两个关于矩阵中心对称设置的3dB矩形波导窄边裂缝电桥 E1、E2；

所述第一移相器为两个关于矩阵中心对称设置的45°矩形波导铁氧体移相器D1、D2，所述45°矩形波导铁氧体移相器包括：设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥一侧的矩形波导以及分别设置于矩形波导两端口处与分别设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥两个相互直通端口处的两个80°矩形波导铁氧体差相移对；

所述第一交叉跨线和第二交叉跨线分别为关于矩阵中心对称设置的第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1和第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥C2；所述0dB矩形波导窄边裂缝电桥为两个相互级联的3dB矩形波导窄边裂缝电桥。

所述第二移相器为两个关于矩阵中心对称设置的0°矩形波导铁氧体移相器F1、F2，其包括：设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥一侧的矩形波导以及分别设置于矩形波导两端口处与分别设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥两个相互直通端口处的两个77.5°矩形波导铁氧体差相移对。

进一步地，矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置，所述矩形波导铁氧体差相移段内设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条。下面结合图4和图5对本发明优选四阶Butler矩阵实施例中各结构端口之间连接情况进行详细说明：

第一三端口矩形波导功分器A1的输入端口i1和第二三端口矩形波导功分器A2的输入端口i2均作为系统的信号输入端；

第一三端口矩形波导功分器A1的输出端口a1、a2与第一90°矩形波导铁氧体差相移对 B1的输入端口b1、b2连接；第二三端口矩形波导功分器A2的输出端口a3、a4与第二90°矩形波导铁氧体差相移对B2的输入端口b3、b4连接；

第一90°矩形波导铁氧体差相移对B1的输出端口c1、c2分别与第一45°矩形波导铁氧体移相器的输入端口d1和第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1的输入端口d2连接；第二90°矩形波导铁氧体差相移对B2的输出端口c3、c4与第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1的输入端口d3和第二45°矩形波导铁氧体移相器的输入端口d4连接；

第一45°矩形波导铁氧体移相器的输出端口e1和第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1的输出端口e2与第一3dB矩形波导窄边裂缝电桥E1的输入端口f1、f2连接；第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1的输出端口e3和第二45°矩形波导铁氧体移相器的输出端口e4与第二3dB 矩形波导窄边裂缝电桥E2的输入端口f3、f4连接；

第一3dB矩形波导窄边裂缝电桥E1的输出端口g1、g2分别与第一0°矩形波导铁氧体移相器F1的输入端口h1和第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥C2的输入端口h2连接；第二3dB矩形波导窄边裂缝电桥E2的输出端口g3、g4分别与第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥C2的输入端口h3连接和第二0°矩形波导铁氧体移相器F2的输入端口h4；

第一0°矩形波导铁氧体移相器F1的输出端口o1、第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥C2 的输出端口o2、o3和第二0°矩形波导铁氧体移相器F2的输出端口o4作为信号输出端。

如图3所示，本实施例中三端口矩形波导功分器具体采用T型矩形波导功分器，包括相互垂直的两个矩形波导通过H面中部交接形成相通的三端口结构，并且在交接位置中央穿设有金属调谐销钉；根据本领域公知常识可知，通过合理设置金属调谐销钉的结构参数及相对位置，能够调节各个端口的驻波比，使得T型矩形波导功分器达到预计效果。根据本领域公知常识可知，为了便于矩形波导功分器输出端口与其余端口之间连接均需在实际中采用弯头结构，本实施例中T型矩形波导功分器的两个输出端口是采用90°H面弯折，并且在端口垂直相接处采用45°倒角，进而达到减小反射的目的。

本实施例中90°矩形波导铁氧体差相移对包括相互平行且隔离设置的两支矩形波导铁氧体差相移段，两支矩形波导铁氧体差相移段内铁氧体的设置如图1所示，上文对其设置方式作了说明，在此不再赘述。本实施例中四个铁氧体条103～106的几何参数和电磁参数均相同；具体地，铁氧体材料的电磁参数如下：饱和磁化强度为2800高斯，铁磁共振线宽为250奥斯特，相对介电常数为15.5，损耗角正切小于0.0005；定义四个铁氧条距离与其相靠近矩形波导窄边的垂直距离为d，铁氧体条的几何参数如下：长度为71.7mm，宽度为3.5mm，厚度为 1.11mm，d＝1.5mm。当四个铁氧体条均磁化至饱和，满足上述参数设置的两支矩形波导铁氧体差相移段构成90°矩形波导铁氧体差相移对。

如图6所示，0dB矩形波导窄边裂缝电桥3是由两个3dB矩形波导窄边裂缝电桥级联而成。其工作原理具体如下：当信号从端口301输入时，信号仅从端口302输出，其余两个端口无信号输出，且端口302和端口301具有互易性；当信号从端口303输入时，信号仅从端口304输出，其余两个端口无信号输出，且端口303和端口304具有互易性。理想0dB矩形波导窄边裂缝电桥因其特殊的传输路径，且在传输路径上无功率损耗，故其可看作是四端口的十字交叉结构。但实际情况下，0dB矩形波导窄边裂缝电桥的传输路径上不但有功率损耗同时也存在相位延迟。因而，在0dB矩形波导窄边裂缝电桥两侧的传输路径上增设第一矩形波导4来补偿0dB矩形波导窄边裂缝电桥在波束成形系统中不必要的相位延迟。实际设计中，设计第一矩形波导4在传输路径上的群延时与0dB矩形波导窄边裂缝电桥相同，群延时相同的目的是为了两者的相位差在工作频带上为一恒定值，然而二者输入与输出端口之间相位差为205°，即信号从端口401进入从端口402输出所产生的相移与信号从端口301进入从端口302输出所产生的相移相比延迟205°。

结合图4、图5与图6，为了构建45°矩形波导铁氧体移相器同时补偿0dB矩形波导窄边裂缝电桥3在系统中造成不必要的相位延迟，本发明采用技术手段如下所述：通过在0dB矩形波导窄边裂缝电桥3中相互直通的两个端口处分别设置一80°矩形波导铁氧体差相移段，以及在第一矩形波导4的两个端口处也分别设置一80°矩形波导铁氧体差相移段。

具体地，所述单支80°矩形波导铁氧体差相移段内铁氧体的设置如图1所示，上文对其设置方式作了说明，在此不再赘述。本实施例中四个铁氧体条103～106的几何参数和电磁参数均相同，具体地，铁氧体材料的电磁参数如下：饱和磁化强度为2800高斯，铁磁共振线宽为 250奥斯特，相对介电常数为15.5，损耗角正切小于0.0005；定义四个铁氧条距离与其相靠近矩形波导窄边的垂直距离为d，铁氧体条的几何参数如下：长度为64.5mm，宽度为3.5mm，厚度为1.11mm，d＝1.5mm。当四个铁氧体条均磁化至饱和，满足上述参数设置的两支矩形波导铁氧体差相移段构成80°矩形波导铁氧体差相移对。

下面具体结合图6所示出的结构示意图进行详细说明：由于0dB矩形波导窄边裂缝电桥 3为对称结构，因此本实施采用任意一组相互直通的端口进行说明均具有相同效果，本发明实施在0dB矩形波导窄边裂缝电桥3的端口301与第一矩形波导4的端口401分别设置相同的第一矩形波导铁氧体差相移段5和第二矩形波导铁氧体差相移段6，第一矩形波导铁氧体差相移段5和第二矩形波导铁氧体差相移段6形成第一80°矩形波导铁氧体差相移对，以及在 0dB矩形波导窄边裂缝电桥3的端口302与第一矩形波导4的端口402分别设置相同的第三矩形波导铁氧体差相移段7和第四矩形波导铁氧体差相移段8，第三矩形波导铁氧体差相移段7和第四矩形波导铁氧体差相移段8形成第二80°矩形波导铁氧体差相移对，这一技术手段的实施，能够使得从第一矩形波导铁氧体差相移段5的端口501输入而从第三矩形波导铁氧体差相移段7的端口701输出的信号与从第二矩形波导铁氧体差相移段6的端口601输入而从第四矩形波导铁氧体差相移段8的端口801输出的信号相比延迟45°。换而言之，第一矩形波导4及与其两端相连接的两支矩形波导铁氧体差相移段5、7相对于0dB矩形波导窄边裂缝电桥3及与其两端相连接的两支矩形波导铁氧体差相移段6、8具有45°延迟。故而，本实施中45°矩形波导铁氧体移相器是由设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥一侧的矩形波导以及分别设置于矩形波导两端口处与分别设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥两个相互直通端口处的两个80°矩形波导铁氧体差相移对形成；本发明这一技术手段不但能够补偿0dB矩形波导窄边裂缝电桥3在系统中所造成的不必要的相位延迟，而且还间接设计了四阶Butler矩阵所需的45°移相器，且该移相器在工作频带内具有较平坦的移相度。根据本领域公知常识可知，第一矩形波导4与第一矩形波导铁氧体差相移段5和第三矩形波导铁氧体差相移段7之间的连接采用90°H面弯折，并且在端口垂直相接处采用45°倒角以达到减小反射的目的。

结合图4、图5与图7，为了使得0°矩形波导铁氧体移相器相对于0dB矩形波导窄边裂缝电桥3具有0°相位延迟，本发明采用技术手段如下所述：通过在0dB矩形波导窄边裂缝电桥3中相互直通的两个端口处分别设置一77.5°矩形波导铁氧体差相移段，以及在第二矩形波导9的两个端口处也分别设置一77.5°矩形波导铁氧体差相移段。

具体地，77.5°矩形波导铁氧体差相移段内铁氧体的设置如图1所示，上文对其设置方式作了说明，在此不再赘述。本实施例中四个铁氧体条103-106的几何参数和电磁参数均相同，具体地，铁氧体材料的电磁参数如下：饱和磁化强度为2800高斯，铁磁共振线宽为250奥斯特，相对介电常数为15.5，损耗角正切小于0.0005；定义四个铁氧条距离与其相靠近矩形波导窄边的垂直距离为d，铁氧体条的几何参数如下：长度为62mm，宽度为3.5mm，厚度为 1.11mm，d＝1.5mm。当四个铁氧体条均磁化至饱和，满足上述参数设置的两支矩形波导铁氧体差相移段构成77.5°矩形波导铁氧体差相移对。

下面具体结合图7所示出的结构示意图进行详细说明：由于0dB矩形波导窄边裂缝电桥 3为对称结构，因此本实施采用任意一组相互直通的端口进行说明均具有相同效果，本实施例在第二矩形波导9的端口901与0dB矩形波导窄边裂缝电桥3端口301分别设置相同的第五矩形波导铁氧体差相移段10和第六矩形波导铁氧体差相移段11，第五矩形波导铁氧体差相移段10和第六矩形波导铁氧体差相移段11形成第一77.5°矩形波导铁氧体差相移对，以及在第二矩形波导9的端口902与0dB矩形波导窄边裂缝电桥3的端口302分别设置相同的第七矩形波导铁氧体差相移段12和第八矩形波导铁氧体差相移段13，第七矩形波导铁氧体差相移段12和第八矩形波导铁氧体差相移段13形成第二77.5°矩形波导铁氧体差相移对，这一技术手段的实施能够使得从第五矩形波导铁氧体差相移段10的端口1001输入而从第七矩形波导铁氧体差相移段12的端口1201输出的信号与从第六矩形波导铁氧体差相移段11的端口 1101输入而从第八矩形波导铁氧体差相移段13的端口1301输出的信号相比延迟0°。换而言之，第二矩形波导9及与其两端相连接的两个77.5°矩形波导铁氧体差相移段10、12相对0dB 矩形波导窄边裂缝电桥3及与其两端相连接的两个77.5°矩形波导铁氧体差相移段11、13具有0°延迟。故而，本实施中0°矩形波导铁氧体移相器是由设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥一侧的矩形波导以及分别设置于矩形波导两端口处与分别设置于0dB矩形波导窄边裂缝电桥两个相互直通端口处的两个77.5°矩形波导铁氧体差相移对形成。本发明这一技术手段使得在使用0dB矩形波导窄边裂缝电桥3构成交叉节时不会在系统中引入不同路径之间不必要的相位延迟。根据本领域公知常识可知，第二矩形波导9与第五矩形波导铁氧体差相移段10和第七矩形波导铁氧体差相移段12之间的连接采用90°H面弯折，并且在端口垂直相接处采用45°倒角以达到减小反射的目的。

综上所述，本发明具体实施例设计的四阶Butler矩阵的原理具体如下：

当信号从i1端口输入时，设定第一90°矩形波导铁氧体差相移对B1内铁氧体材料的磁化状态以使从端口c2输出的信号的相位比从端口c1输出的信号的相位延迟90°，此时，在端口o1、端口o2、端口o3、端口o4均会有等幅的功率输出，且输出信号的相位从端口o1至端口 o4依次相差-45°；调节第一90°矩形波导铁氧体差相移对B1内铁氧体材料的磁化状态以使从端口c1输出的信号的相位比从端口c2输出的信号的相位延迟90°，此时在端口o1、端口o2、端口o3、端口o4均会有等幅的功率输出，且输出信号的相位从端口o1至端口o4依次相差 135°。

由图4、5可知，由于本发明中第一0dB矩形波导窄边裂缝电桥C1和第二0dB矩形波导窄边裂缝电桥C2在矩阵结构中是左右对称的，故可以在确定第二90°矩形波导铁氧体差相移对B2内铁氧体材料的磁化状态时，在端口o1、端口o2、端口o3、端口o4均会有等幅的功率输出，且输出信号的相位从端口o1至端口o4依次相差-135°或45°。由此，已构成大功率波束成形所需的必要条件。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于矩形波导的大功率二阶Butler矩阵，其特征在于，包括一个三端口矩形波导功分器与一个90°矩形波导铁氧体差相移对形成的三端口器件；所述90°矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置；所述矩形波导铁氧体差相移段是由内部设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条形成的非互易器件；

所述矩形波导铁氧体差相移段的矩形波导内腔上、下H面粘附有沿信号传播方向设置的铁氧体条，设于上H面的第一铁氧体条和第二铁氧体条与设于下H面的第三铁氧体条和第四铁氧体条呈上下对称设置。

2.一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，包括：

N/2个输入端口，N＝2^m，m为大于1的正整数；

N/2个三端口矩形波导功分器与N/2个90°矩形波导铁氧体差相移对形成N/2个三端口器件；其中，所述输入端口分别与N/2个三端口器件连接；

至少一级3dB矩形波导窄边裂缝电桥，第M级具有N/2个3dB矩形波导窄边裂缝电桥，M为大于1的奇数；

至少一级移相器，第M-1级具有N/2个移相器；

至少两级交叉跨线，第M-1级交叉跨线具有一个或者多个；

移相器、交叉跨线与3dB矩形波导窄边裂缝电桥相互交错连接，其中，第M-1级移相器与第M-1级交叉跨线分别与第M级3dB矩形波导窄边裂缝电桥连接；

N个输出端口，所述输出端口与3dB矩形波导窄边裂缝电桥的最后一级连接；

所述90°矩形波导铁氧体差相移对由两支等长的矩形波导铁氧体差相移段相互平行且隔离设置；所述矩形波导铁氧体差相移段是由内部设置有通过外部直流偏置磁场磁化的铁氧体条形成的非互易器件；

所述矩形波导铁氧体差相移段的矩形波导内腔上、下H面粘附有沿信号传播方向设置的铁氧体条，设于上H面的第一铁氧体条和第二铁氧体条与设于下H面的第三铁氧体条和第四铁氧体条呈上下对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，三端口矩形波导功分器的两个输出端分别与90°矩形波导铁氧体差相移对中两支矩形波导铁氧体差相移段连接形成三端口器件。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，所述交叉跨线为两个3dB矩形波导窄边裂缝电桥级联形成的0dB矩形波导窄边裂缝电桥。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，所述移相器包括矩形波导和两个矩形波导铁氧体差相移对，其中，每一个矩形波导铁氧体差相移对中其中一支矩形波导铁氧体差相移段分别与所述矩形波导两端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于矩形波导的大功率N阶Butler矩阵，其特征在于，与90°矩形波导铁氧体差相移对相连接的三端口矩形波导功分器或者移相器中与两支矩形波导铁氧体差相移段相连接的矩形波导均采用90°H面弯头结构。

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