CN109378593A - 一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，包括从上往下排布的第一、二、三介质基板，第一介质基板上表面和第三介质基板下表面均形成有地板，第一介质基板下表面和第三介质基板上表面分别形成有第一导体层和第二导体层，第一、二导体层上的一部分微带传输线均形成为移相器，第一、二导体层上的其余微带传输线与第二介质基板一起构成有若干个不同传输特性的定向耦合器，且连接在相应定向耦合器上的馈电网络输入端口有一个或两个，而连接在相应定向耦合器上的馈电网络输出端口则有三个或四个，所有输出端口在不同的频率具有不同的信号分布。本发明能实现很好的带宽特性，辐射方向稳定，不需要添加额外耦合器的数目。

Description

一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络
技术领域
本发明涉及天线馈电的技术领域，尤其是指一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络。
背景技术
巴特勒矩阵是一种利用3-dB定向耦合器和固定移相器组合起来的天线波束形成网络。N×M巴特勒矩阵表示它包含N个输入端口以及M个输出端口或辐射单元。当在某一输入端口引进了一个信号时，即在所有的输出端口产生等幅激励，且他们的之间具有恒等的相位差，可在空间空间某一角度方向产生辐射。也就是说它可使阵列天线均匀分布，并使阵元之间具有恒等相位差的馈电方式。这样可以产生不同分布的N个波束，以达到波束赋形的目的。传统的巴特勒矩阵往往只能在较窄的频段内工作，即使改善了巴特勒矩阵的带宽特性，在连接等距离分布的天线阵列时，较宽的工作频段就会带来波束宽度以及波束方向变化较大的问题。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
2016年，K.Wincza等人在"IEEE Transactions on Antennas and Propagation"上发表题为"“Scalable Multibeam Antenna Arrays Fed by Dual-Band ModifiedButler Matrices"的文章，文中通过在设计一个频率比大概为2：1的双频巴特勒矩阵馈电网络以及一个双频多波束天线阵列，实现在低频和高频时对应的不同天线阵列工作，从而实现在两个频段产生变化不大的波束。但是在不同频段工作的天线阵列是分离的，不能实现两频段之间的频率的利用。
2017年，同样是K.Wincza等人在"IEEE Transactions on Antennas andPropagation"上发表题为"Broadband Multibeam Antenna Arrays Fed by Frequency-Dependent Butler Matrices"的文章，文中通过在设计一个传输特性随频率改变而变化的巴特勒矩阵馈电网络以及一个间距固定的线天线阵列，通过在低频和高频时激活不同天线单元来达到在整个宽频带内产生变化的波束的目的。但是这种馈电网络相比传统巴特勒增加了几个耦合器元件。
总的来说，现有的工作中，有不少关于巴特勒矩阵馈电网络的研究，但是大部分都是应用在较窄频段内的天线阵列馈电的设计，做成宽带的设计也存在各种缺陷。设计一款具有宽的工作频带并且产生稳定波束的天线阵列馈电网络具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，能够实现很好的带宽特性，且辐射方向稳定，并且不需要添加额外耦合器的数目，具有设计简单、结构紧凑、性能稳定、成本低等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，包括有彼此平行且从上往下排布的三个介质基板，分别为第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述第一介质基板的上表面形成有第一地板，其下表面形成有第一导体层，所述第三介质基板的上表面形成有第二导体层，其下表面形成有第二地板，所述第一导体层和第二导体层上的一部分微带传输线均形成为移相器，所述第一导体层和第二导体层上的其余微带传输线与夹在中间的第二介质基板一起构成有若干个不同传输特性的定向耦合器，且连接在相应定向耦合器上的馈电网络输入端口有一个或两个，而连接在相应定向耦合器上的馈电网络输出端口则有三个或四个，即馈电网络输入端口为一个时，对应的馈电网络输出端口则有三个，馈电网络输入端口为两个时，对应的馈电网络输出端口则有四个，且所有输出端口在不同的频率具有不同的信号分布，以获得更宽的工作频段以及稳定的辐射波束。
进一步，所述馈电网络输入端口为一个时，该个馈电网络输入端口与其中一个馈电网络输出端口连接于同一个定向耦合器，该定向耦合器在低频f0表现为3-dB定向耦合器，在高频2f0表现为交叉网络特性，即耦合器的输入信号会从斜对角输出端口输出；而连接其余两个馈电网络输出端口的相应定向耦合器在低频f0表现为交叉网络特性，在高频2f0表现为3-dB定向耦合器。
进一步，所述馈电网络输入端口为两个时，连接该两个馈电网络输入端口的相应定向耦合器在低频f0表现为3-dB定向耦合器，在高频2f0表现为交叉网络特性，即耦合器的输入信号会从斜对角输出端口输出；连接四个馈电网络输出端口的相应定向耦合器在低频f0表现为交叉网络特性，在高频2f0表现为3-dB定向耦合器；且在连接两个馈电网络输入端口的相应定向耦合器和连接四个馈电网络输出端口的相应定向耦合器之间设有一个交叉网络，该交叉网络是由两个3-dB定向耦合器串联而成，其特性为输入端口的信号会从斜对角的输出端口输出，所述交叉网络分别与连接馈电网络输入端口和输出端口的那些定向耦合器相连。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本馈电网络由三层结构组成，耦合器容易获得高耦合度从而产生较宽的带宽，并且容易调试。
2、实现了在宽频带内具有稳定的辐射波束，改善了辐射方向和波束宽度不稳定的特性，并且通带内阻抗匹配良好。
3、本馈电网络基于传统的4×4巴特勒矩阵形式，没有添加额外的耦合器，结构简单明了。
4、本馈电网络结构紧凑，加工简单，重量轻，加工成本低，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络剖面示意图。
图2为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络走线图。
图3为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络所使用的耦合器“A”结构图。
图4为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络所使用的耦合器“B”结构图。
图5为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络所使用的交叉网络结构图。
图6为基于频率选择性的1×3巴特勒矩阵馈电网络的原理结构框图。
图7为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络的原理结构框图。
图8为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络传输特性仿真图。
图9为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络连接等间隔的线天线阵列的辐射模型仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示，本实施例所提供的基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络，包括有彼此平行且从上往下排布的三个介质基板，分别为第一介质基板15、第二介质基板16、第三介质基板17，所述第一介质基板15的上表面形成有第一地板14，其下表面形成有第一导体层19，所述第三介质基板17的上表面形成有第二导体层20，其下表面形成有第二地板18，所述第一导体层19分别设有第一输入端口1、第一输出端口3和第三输出端口5，所述第二导体层20分别设有第二输入端口2、第二输出端口4和第四输出端口6，所述第二导体层20上的一部分微带传输线形成为第一移相器10，所述第一导体层19上的一部分微带传输线形成为第二移相器11，所述第一导体层19和第二导体层20上的其余微带传输线与夹在中间的第二介质基板16一起构成有第一耦合器7、第二耦合器8、第三耦合器12、第四耦合器13以及由两个耦合器串联而成的交叉网络9。
所述第一耦合器7和第二耦合器8被称为耦合器“A”，其结构参见图3所示，其特性为在低频f0时表现为3-dB定向耦合器，在高频2f0时表现为交叉网络特性，即耦合器的输入信号会从斜对角输出端口输出。
所述第三耦合器12和第四耦合器13被称为耦合器“B”，其结构参见图4所示，其特性为在低频f0时表现为交叉网络特性，在高频2f0时表现为3-dB定向耦合器。
所述交叉网络9的结构参见图5所示，它由两个3-dB定向耦合器串联而成，其特性为输入端口的信号会从斜对角的输出端口输出。
所述第一耦合器7左边的输入端口连接整个馈电网络的第一输入端口1，所述第一耦合器7左边的输出端口通过第一移相器10连接第三耦合器12左边的输入端口，其右边输出端口连接交叉网络9，且交叉网络9的左边输出端口连接第三耦合器12的另一输入端口。所述第三耦合器12的两个输出端口分别连接馈电网络的第一输出端口3和第二输出端口4。所述交叉网络9的4个端口分别连接4个耦合器7、8、12、13。所述第二耦合器8与第一耦合器7镜像对称。所述第四耦合器13与第三耦合器12镜像对称。所述第二移相器11与第一移相器10镜像对称。所述第二输入端口2连接第二耦合器8右边输入端口，所述第三输出端口5、第四输出端口6分别连接第四耦合器13的两个输出端口。
第一输入端口1、第二输入端口2、第一输出端口3、第二输出端口4、第三输出端口5、第四输出端口6、第一移相器10以及第二移相器11均为50欧姆的阻抗微带线。第一介质基板15和第三介质基板17的介电常数均为εr＝2.55，损耗角正切为0.0029，厚度h1＝1.5毫米，第二介质基板的16的介电常数εr＝2.55，损耗角正切为0.0029，厚度h2＝0.25毫米。
参见图6所示，为基于频率选择性的1×3巴特勒矩阵馈电网络的原理结构框图，信号从端口1输入时，在不同的频率有不同的流通路径。在低频f0时，第一个耦合器“A”具有3-dB定向耦合器的特性，信号均分为两路，相位差为-90°；左边信号通过移相器流到端口2，第二个耦合器“B”在低频时具有交叉网络的特性，右边信号通过交叉网络流到输出端口4。在高频2f0时，耦合器“A”具有交叉网络的特性，信号直接通过流到耦合器“B”的输入端，此时耦合器“B”具有3-dB定向耦合器的特性，信号均分两路分别到输出端口3和4，相位差为-90°。此输出端连接等间距线天线阵列时，在低频和高频具有同样的阵因子，因此可以从低频到高频产生稳定的辐射波束。
参见图7所示，为基于频率选择性的2×4巴特勒矩阵馈电网络的原理结构框图，此网络有两个输入端口。信号从端口1输入，产生的波束与1×3巴特勒矩阵相似。信号从端口2输入时，将产生一个与前者对称的波束。
参见图8所示，显示了上述2×4巴特勒矩阵馈电网络传输参数的仿真结果，其中图(a)为幅度分布图，图(b)为相位差分布图。从图中可以看到，在工作频带2GHz到4GHz内，S11均小于-20dB，实现了良好的阻抗匹配。在低频时信号主要分布在输出端口4和输出端口6，相位差在-90°附近；在高频时信号主要分布在输出端口5和输出端口6，相位差在-90°附近。在中间频段传输特性平滑过渡，这实现在整个工作频段内产生稳定的辐射波束。
参见图9所示，显示了上述2×4巴特勒矩阵馈电网络输出端口连接包涵4个辐射单元且间隔为50毫米放置的线天线阵列的归一化辐射方向图仿真结果。从图中可以考到，从低频到高频等间隔取5个频点，都产生了较为稳定的辐射波束，波束的方向的变化在±5°之内，实现了良好的宽带辐射特性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，其特征在于：包括有彼此平行且从上往下排布的三个介质基板，分别为第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述第一介质基板的上表面形成有第一地板，其下表面形成有第一导体层，所述第三介质基板的上表面形成有第二导体层，其下表面形成有第二地板，所述第一导体层和第二导体层上的一部分微带传输线均形成为移相器，所述第一导体层和第二导体层上的其余微带传输线与夹在中间的第二介质基板一起构成有若干个不同传输特性的定向耦合器，且连接在相应定向耦合器上的馈电网络输入端口有一个或两个，而连接在相应定向耦合器上的馈电网络输出端口则有三个或四个，即馈电网络输入端口为一个时，对应的馈电网络输出端口则有三个，馈电网络输入端口为两个时，对应的馈电网络输出端口则有四个，且所有输出端口在不同的频率具有不同的信号分布，以获得更宽的工作频段以及稳定的辐射波束。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，其特征在于：所述馈电网络输入端口为一个时，该个馈电网络输入端口与其中一个馈电网络输出端口连接于同一个定向耦合器，该定向耦合器在低频f0表现为3-dB定向耦合器，在高频2f0表现为交叉网络特性，即耦合器的输入信号会从斜对角输出端口输出；而连接其余两个馈电网络输出端口的相应定向耦合器在低频f0表现为交叉网络特性，在高频2f0表现为3-dB定向耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率选择性的宽带巴特勒矩阵馈电网络，其特征在于：所述馈电网络输入端口为两个时，连接该两个馈电网络输入端口的相应定向耦合器在低频f0表现为3-dB定向耦合器，在高频2f0表现为交叉网络特性，即该定向耦合器的输入信号会从斜对角输出端口输出；连接四个馈电网络输出端口的相应定向耦合器在低频f0表现为交叉网络特性，在高频2f0表现为3-dB定向耦合器；且在连接两个馈电网络输入端口的相应定向耦合器和连接四个馈电网络输出端口的相应定向耦合器之间设有一个交叉网络，该交叉网络是由两个3-dB定向耦合器串联而成，其特性为输入端口的信号会从斜对角的输出端口输出，所述交叉网络分别与连接馈电网络输入端口和输出端口的那些定向耦合器相连。
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