CN109167172A - 一种基于微带结构的宽带Butler矩阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，属于微波无源器件技术领域。本发明包括从上而下依次排布的三层结构：金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层；金属覆铜上层包括四个宽带四线耦合器和两个短路加载移相器；四个宽带四线耦合器依次间隔呈中心旋转对称排布，两个短路加载移相器加载于宽带四线耦合器靠近中心的末端。本发明使用两种宽带四线耦合器与宽带四分之一波长短路加载移相器相结合，使该微带结构巴特勒矩阵具有了宽带效果，在中心频点2.215GHz处相对带宽达到48.3％，同时微带结构也具有结构简单、易于加工和成本低的优点，拓展了该Butler矩阵在多波束天线系统中的应用空间。

Description

一种基于微带结构的宽带Butler矩阵
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，适用于5G、Massive MIMO等多波束通信系统的馈电网络中。
背景技术
随着无线用户数量的增加，传统的无线系统已无法满足多用户、高数据流和未来5G的通讯要求。为了提高通讯容量、改善信噪比和提高天线的抗干扰能力，多波束技术被广泛应用于现代的无线通讯系统中。波束成形网络作为多波束系统的重要组成部分可以预先设计几个高增益、低旁瓣固定窄波束覆盖的区域，控制波束指向达到提高通讯能力的目的。
Butler矩阵由Jeasse Butler和Rolph Lowe于1961年提出，作为一种功率分配与合成无源器件，在不同的输入端输入信号时在输出端会产生等幅且相位差恒定的N路输出信号，可以实现阵列天线的多波束扫描，因此其作为波束成形网络被广泛应用于多波束天线系统中。经过半个多世纪的发展，Butler矩阵已经通过多种电路结构形式得以实现，主要包括：微带线、带状线、基片集成介质波导、共面波导、介质集成悬置线等。
基于微带线自身结构原因，基于其结构形式的Butler矩阵相比于带状线、介质集成悬置线和多层介质基板结构的Butler矩阵带宽较窄，带宽通常小于20％，限制了其在很多宽带场合中的应用。但是相比于单层微带结构，其他多层结构Butler矩阵展宽带宽的同时也增加了结构的复杂程度提高了生产成本。随着微波集成电路的发展，基于Butler矩阵的波束成形网络也朝着宽频、小型化、低成本、高集成度的方向发展，因此单层微带结构的宽带Butler矩阵的研究得到了人们越来越多的重视。
为了展宽基于微带结构Butler矩阵的带宽，众多专家学者进行了广泛而深入的研究。对于单层结构的Butler矩阵通常使用级联形式的耦合器和交叉结是展宽带宽的有效途径，2014年，文献“Broadband 4x4Butler Matrix Using Wideband 90°hybrid Couplersand Crossovers for Beamforming Networks”用级联多个分支线定向耦合器的方法来展宽耦合器和交叉节的带宽，但是级联会增大耦合器和交叉结的尺寸同时由于路径的增加也会带来过多的损耗。交叉结作为Butler矩阵的组成部分，其带宽特性将会影响到整个矩阵的带宽，在一些设计中通过将宽带耦合器与宽带移相器相结合的方法避免了交叉结对矩阵带宽的限制得到了宽带的Butler矩阵。在2016年，文献“Study of Wideband Patch-BasedButler Matrix and Its High-Frequency Application”用贴片型耦合器和移相器构成了不使用交叉节相对带宽达到29.6％的宽带Butler矩阵。上述的两种方法在一定程度上增加了矩阵的带宽，但是相对带宽通常都在30％以下，限制了其在很多宽带场合中的应用。
综上所述，尽管有多种方法来展宽基于微带结构Butler的带宽，但是随着无线通讯朝着高速、宽带方向的发展，目前的宽带Butler矩阵还无法满足需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于微带结构的宽带Butler矩阵。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，包括从上而下依次排布的三层结构：金属覆铜上层101、介质层102、金属覆铜下层103；
金属覆铜上层101包括四个宽带四线耦合器和两个短路加载移相器；其中第一宽带四线耦合器201和第三宽带四线耦合器结构相同，第二宽带四线耦合器202与第四宽带四线耦合器结构相同；第一宽带四线耦合器201、第二宽带四线耦合器202、第三宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器依次间隔呈中心旋转对称排布；
第一宽带四线耦合器201由两个结构相同的第一分支线定向耦合器对称级联而成；第一分支线定向耦合器包括第一输入输出端连接线和与其相连接的第一输入端连接线、第一输出端连接线；第一输入输出端连接线为两组对称的弧线，第一输入端连接线和第一输出端连接线的长度与宽度都不相同；
第二宽带四线耦合器202由两个结构相同的第二分支线定向耦合器对称级联而成；第二分支线定向耦合器包括第二输入输出端连接线和与其相连接的第二输入端连接线、第二输出端连接线；第二输入输出端连接线为两组对称的弧线，第二输入端连接线和第二输出端连接线的长度相同但宽度不相同；
第一短路加载移相器203包括第一参考微带线331、第一短路加载微带线332和第一微带线333；第一参考微带线331、第一微带线333的一端与第三宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器202、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
第二短路加载移相器包括第二参考微带线、第二短路加载微带线和第二微带线；第二参考微带线、第二微带线的一端与第一宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
金属覆铜下层的铜覆盖面积与介质层表面积相同。
短路加载微带线332为四分之一波长微带线。
通过调节短路加载微带线332的宽度和长度可以调节移相器的输出端的差分相移相位偏差。
通过调节第一输入端连接线、第一输出端连接线、第二输入端连接线、第二输出端连接线的宽度可以改善Butler矩阵的输出特性。
本发明的有益效果是：
本发明使用两种宽带四线耦合器与宽带移相器相结合，使巴特勒矩阵具有了宽带效果，拓展了其在宽带场合中的应用空间。Butler矩阵采用微带结构，易于加工，可以通过印刷电路制作。
附图说明
图1为本发明所述宽带Butler矩阵的结构示意图；
图2为本发明所述宽带Butler矩阵的金属覆铜上层结构示意图；
图3为第一宽带四线耦合器的结构示意图；
图4为第二宽带四线耦合器的结构示意图；
图5为短路加载移相器的结构示意图；
图6为1端口激励时的各端口的S参数测试结果图；
图7为l端口激励时输出端口间的相位差测试结果图；
图8为2端口激励时的各端口的S参数测试结果图；
图9为2端口激励时输出端口间的相位差测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，其结构示意图如图1所示，包括从上而下依次排布的三层结构：金属覆铜上层101、介质层102、金属覆铜下层103；金属覆铜层厚度为0.035mm，介质层介电常数等于3、厚度为0.762mm。
金属覆铜上层101的结构示意图如图2所示，其为一个8端口的馈电网络，包括四个宽带四线耦合器和两个短路加载移相器；其中第一宽带四线耦合器201和第三宽带四线耦合器结构相同，第二宽带四线耦合器202与第四宽带四线耦合器结构相同；第一宽带四线耦合器201、第二宽带四线耦合器202、第三宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器依次间隔呈中心旋转对称排布；
第一宽带四线耦合器201的结构示意图如图3所示，由两个结构相同的第一分支线定向耦合器对称级联而成；第一分支线定向耦合器包括第一输入输出端连接线和与其相连接的第一输入端连接线、第一输出端连接线；第一输入输出端连接线为两组对称的弧线，第一输入端连接线和第一输出端连接线的长度与宽度都不相同；
第二宽带四线耦合器202的结构示意图如图4所示，由两个结构相同的第二分支线定向耦合器对称级联而成；第二分支线定向耦合器包括第二输入输出端连接线和与其相连接的第二输入端连接线、第二输出端连接线；第二输入输出端连接线为两组对称的弧线，第二输入端连接线和第二输出端连接线的长度相同但宽度不相同；
第一短路加载移相器203的结构示意图如图5所示，包括第一参考微带线331、第一短路加载微带线332和第一微带线333；第一参考微带线331、第一微带线333的一端与第三宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器202、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
第二短路加载移相器包括第二参考微带线、第二短路加载微带线和第二微带线；第二参考微带线、第二微带线的一端与第一宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
金属覆铜下层的铜覆盖面积与介质层表面积相同。
短路加载微带线332为四分之一波长微带线。
图6、7为本发明端口1输入时的S参数和输出端口间的相位差，基于结构的对称性，端口1与端口4等效。
图8、9为本发明端口2输入时的S参数和输出端口间的相位差，基于结构的对称性，端口2与端口3等效。
测试结果表明该Butler矩阵在中心频点2.215GHz处相对带宽48.3％内，输出端插入损耗满足在-6.8±1dB以内，端口间差分相移的相位偏差在±4°以内，相比于以往的设计，应用本发明思路方法可以大大增加基于微带结构Butler矩阵的带宽。本发明采用印刷电路进行加工，具有易于加工和制作成本低的优点，适于广泛推广。
以上是向熟悉本发明领域的技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，上述实施例是为了帮助读者理解该发明的原理，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。本领域的技术人员可根据此发明权利要求书中公开的技术思路做出一些不脱离本发明核心实质的变更。上述这些都应被视为本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，其特征在于，包括从上而下依次排布的三层结构：金属覆铜上层(101)、介质层(102)、金属覆铜下层(103)；
金属覆铜上层(101)包括四个宽带四线耦合器和两个短路加载移相器；其中第一宽带四线耦合器(201)和第三宽带四线耦合器结构相同，第二宽带四线耦合器(202)与第四宽带四线耦合器结构相同；第一宽带四线耦合器(201)、第二宽带四线耦合器(202)、第三宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器依次间隔呈中心旋转对称排布；
第一宽带四线耦合器(201)由两个结构相同的第一分支线定向耦合器对称级联而成；第一分支线定向耦合器包括第一输入输出端连接线和与其相连接的第一输入端连接线、第一输出端连接线；第一输入输出端连接线为两组对称的弧线，第一输入端连接线和第一输出端连接线的长度与宽度都不相同；
第二宽带四线耦合器(202)由两个结构相同的第二分支线定向耦合器对称级联而成；第二分支线定向耦合器包括第二输入输出端连接线和与其相连接的第二输入端连接线、第二输出端连接线；第二输入输出端连接线为两组对称的弧线，第二输入端连接线和第二输出端连接线的长度相同但宽度不相同；
第一短路加载移相器(203)包括第一参考微带线(331)、第一短路加载微带线(332)和第一微带线(333)；第一参考微带线(331)、第一微带线(333)的一端与第三宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器(202)、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
第二短路加载移相器包括第二参考微带线、第二短路加载微带线和第二微带线；第二参考微带线、第二微带线的一端与第一宽带四线耦合器相连，另一端分别与第二宽带四线耦合器、第四宽带四线耦合器的端口呈90°弯曲相连，弯曲连接处外侧倒直角；
金属覆铜下层的铜覆盖面积与介质层下表面积相同。
2.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽带Butler矩阵，其特征在于，短路加载微带线(332)为四分之一波长微带线。
3.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽带Butler矩阵，其特征在于，通过调节短路加载微带线(332)的宽度和长度可以调节移相器的输出端的差分相移相位偏差。
4.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽带Butler矩阵，其特征在于，通过调节第一输入端连接线、第一输出端连接线、第二输入端连接线、第二输出端连接线的宽度可以改善Butler矩阵的输出特性。
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