CN109888507A - 一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，含有8个4×4子阵，子阵之间通过2×11.25°移相器、6×11.25°移相器和参考线连接，每个子阵含有4个3dB/90°耦合器和2个移相器，并包括4个输入或输出端口。本发明所公开的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，对传统16×16 Butler矩阵多波束馈电网络进行重新布局，将相同结构部分进行组合，使之只需4个交叉耦合结构且总元件数只有60个；同时为保证较好的传输性能，所有元件都采用了宽频带结构。其设计难度低、简单对称且可在单层基板上实现。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种天线阵列的紧凑型16×16Butler矩阵多波束馈电网络。
背景技术
随着用户对无线通信需求的不断增长及通信质量的提高，无线信号发生设备必须能产生多个扫描波束，在保证高质量信号传输的同时，能快速准确地实现对多个终端目标进行定位和跟踪。因此，这要求天线系统能够产生尽量多的扫描波束。
基于电路结构的多波束馈电网络具有设计灵活和结构紧凑等特点，在卫星通信和地面无线通信的基站和终端系统中得到了广泛的应用。其中，最有代表性的是Butler矩阵，如4×4和8×8Butler 矩阵已经有大量的应用和研究。然而，对于更高阶的Butler矩阵，如16×16 Butler矩阵，却鲜有报道和研究，这主要是由于一般的16×16 Butler矩阵有大量的交叉结构和过于复杂庞大的结构，使得要设计出在结构和性能上实用性和可行性较强的16×16 Butler矩阵变得尤为困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种易加工、剖面低、结构简单紧凑、重量轻、损耗低、扫描范围大、可产生一维和二维扫描相位差的16×16 Butler矩阵多波束馈电网络。
本发明采用如下技术方案：
一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其改进之处在于：含有8个4×4子阵，子阵之间通过2×11.25°移相器、6×11.25°移相器和参考线连接，每个子阵含有4个3dB/90°耦合器和2个移相器，并包括4个输入或输出端口，含有输入端口的子阵分别采用1×11.25°移相器、3×11.25°移相器、5×11.25°移相器和7×11.25°移相器，含有输出端口的子阵皆采用4×11.25°移相器，输入端口与输出端口呈对角分布，输入端口用于输入微波射频信号，输出端口可直接通过同轴线与阵列天线连接，用于对阵列天线单元馈电，输入端口所在的子阵都位于纵向，输出端口所在的子阵则都位于横向，在横向子阵和纵向子阵的连接处存在4个交叉结构。
进一步的，3dB/90°耦合器是在圆环形3dB/90°耦合器的基础上，在每个端口处串联一个半波长的传输线和并联一个半波长的开路枝节。
进一步的，半波长的传输线特征阻抗为87欧姆，半波长的开路枝节特征阻抗为65欧姆，圆环形3dB/90°耦合器中1/4圆弧的特征阻抗分别为55欧姆和37欧姆。
进一步的，移相器的参考结构由一个传输线分别并联一个开路枝节和一个带接地通孔的短路枝节组成。
进一步的，开路枝节的特征阻抗为66欧姆、电长度为20°；短路枝节的特征阻抗为70欧姆、电长度为58°。
进一步的，所述的交叉结构包括交叉耦合器及其交叉传输端口0°参考移相结构。
进一步的，交叉耦合器由周长为2个波长的圆环交叉耦合器内部加载扇形谐振辐射圆盘构成，圆环交叉耦合器四分之一的电长度为半波长，实际长度为175°，特征阻抗为67欧姆；扇形谐振辐射圆盘半径为1.7mm，扇形结构半径为4.2mm，角度为44°；扇形结构间的特性阻抗为90欧姆，电长度为10°；0°参考移相结构由一段传输线并联两段开路枝节和两段带接地短路通孔的短路枝节组成；开路枝节和短路枝节的特征阻抗皆为105欧姆，电长度为48°；传输线结构的电长度为250°，特征阻抗为56欧姆。
进一步的，其既可以作为一维扫描天线阵列的多波束馈电网络，又可以作为二维扫描天线阵列的多波束馈电网络；当作为一维扫描天线阵列的多波束馈电网络时，天线单元输入端口位置排布为A1—A16；而当作为二维扫描天线阵列的多波束馈电网络时，天线单元输入端口位置组合为A1，A5，A9，A13；A2，A6，A10，A14；A3，A7，A11，A15和A4，A8，A12，A16。
进一步的，通过激励不同输入端口，16个输出端口将产生不同的输出相位差，分别为：(1，‒15，9，‒7，5，‒11，13， ‒3，3，‒13，11，‒5，7，‒9，15，‒1)×11.25°。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，对传统16×16 Butler矩阵多波束馈电网络进行重新布局，将相同结构部分进行组合，使之只需4个交叉耦合结构且总元件数只有60个；同时为保证较好的传输性能，所有元件都采用了宽频带结构。其设计难度低、简单对称且可在单层基板上实现。在性能上，具有较宽的工作带宽、极佳的幅相输出特性、能作为一维和二维扫描天线阵列的多波束馈电网络，可以用于MIMO类或无线通信设备中。
附图说明
图1是现有技术已公开16×16 Butler矩阵的结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开16×16 Butler矩阵的结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开16×16 Butler矩阵的实施结构图；
图4是本发明实施例1所公开3dB/90°耦合器的实施结构图；
图5是本发明实施例1所公开3dB/90°耦合器的S参数曲线；
图6a是本发明实施例1所公开‒45°移相器的实施结构图；
图6b是本发明实施例1所公开‒45°移相器参考移相结构的实施结构图；
图7是本发明实施例1所公开‒45°移相器及其参考移相结构的S参数曲线；
图8a是本发明实施例1所公开交叉耦合器的实施结构图；
图8b是本发明实施例1所公开交叉耦合器0°参考移相结构的实施结构图；
图9是本发明实施例1所公开交叉耦合器及其0°参考移相结构的S参数曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是现有技术已公开16×16 Butler矩阵的标准结构示意图。其中，左边类似于11和右边类似于19的结构为输出端口和输入端口。输出端口可直接与天线单元连接，输入端口作为馈电端口与同轴接头连接。结构12为3dB/90°耦合器，其作用主要有：一、对输入信号等功分；二、使两路输出信号产生90°相位差；三、隔离另外一输入端口。13—19为7个固定移相器，相移量分别为 (4，2，6，7，1，5，3) ×11.25°。通过激励不同输入端口，16个输出端口将产生不同的输出相位差，分别为(1，‒15，9，‒7，5，‒11，13， ‒3，3，‒13，11，‒5，7，‒9，15，‒1)×11.25°。
实施例1，如图2所示，本实施例所公开的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，将图1中的结构进行了拆分和重新组合。本质上，可将图1中的16×16 Butler矩阵标准结构理解为8个4×4 子矩阵的组合。因此，在图2中，8个4×4 子矩阵分别在横纵方向排列开，其中，输入端口所在的子阵都位于纵向，而输出端口所在的子阵则位于横向。在每个子阵内部，通过图2所示的排列方式，将不会引入交叉结构。最终，本发明结构将只存在4个交叉结构，分别位于横向子阵和纵向子阵的连接处。子阵与子阵之间则通过(2，6) ×11.25°移相器和参考线连接。
图3为本实施例的结构实施图。其中，结构31为3dB/90°耦合器，结构321为‒78.75°移相器，322为其参考结构。依次类推，结构351和352、结构361和362、结构371和372、结构381和382、结构391和392分别为‒33.75°、‒67.5°、‒56.25°、‒45°和‒22.5°移相器及其参考移相的对应结构。
图3中的结构341为交叉耦合器，结构342为交叉传输端口0°参考移相结构，用于保证信号通过两种结构后不存在相位差。
图4为3dB/90°耦合器的具体实施结构图。该结构是在圆环型3dB/90°耦合器结构的每个端口处串接一个半波长的传输线41和并联一个半波长的开路枝节42。其中，半波长的传输线结构41特征阻抗约为87欧姆，并联半波长开路枝节42的特征阻抗约为65欧姆。圆型耦合结构中43和44的特征阻抗分别约为55欧姆和37欧姆。通过激励端口1，端口2被隔离，端口3和4可以从端口1获得近似相等的功率能量，且产生90°的相位差。该3dB/90°耦合器结构与传统微带3dB/90°耦合器结构相比，具有带宽宽，输出幅相特性极佳等优势，其S参数曲线如图5所示。
图6a，6b为‒45°移相器和其参考移相结构。‒45°移相器的移相结构由一段简单的传输线61构成，而参考移相结构则通过在一段传输线上并联一段开路枝节62和短路枝节63来实现，其中结构64为接地通孔。本实施例所有移相器的参考移相结构都与图6b中的参考移相结构相同。开路枝节62的特征阻抗为66欧姆，其电长度为20°；短路枝节63的特征阻抗为70欧姆，电长度为58°。图7是本实施例所公开‒45°移相器及其参考移相结构的S参数曲线，可见本实施例采用的移相器结构与传统延迟线结构移相器和谢夫曼移相器相比，具有带宽宽，可实现较宽范围的相移等特点。
图8a，8b为交叉耦合器和其0°参考移相结构的实施图。本实施例的交叉耦合器为圆环交叉耦合器内部加载谐振辐射圆盘构成。其中，结构81为圆环的四分之一，其电长度约为半波长，其实际长度为175°，特征阻抗为67欧姆。内部谐振圆盘82半径为1.7mm，扇形结构83半径为4.2mm，角度为44°。结构84特性阻抗为90欧姆，电长度为10°。其0°参考移相结构由一段传输线并联两段开路枝节87和短路枝节85，结构86为接地短路通孔。开路和短路枝节的特征阻抗皆为105欧姆，电长度为48°。结构88是电长度为250°，特征阻抗为56欧姆的传输线结构。图9是本实施例所公开交叉耦合器及其0°参考移相结构的S参数曲线。
Claims (9)
1.一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：含有8个4×4子阵，子阵之间通过2×11.25°移相器、6×11.25°移相器和参考线连接，每个子阵含有4个3dB/90°耦合器和2个移相器，并包括4个输入或输出端口，含有输入端口的子阵分别采用1×11.25°移相器、3×11.25°移相器、5×11.25°移相器和7×11.25°移相器，含有输出端口的子阵皆采用4×11.25°移相器，输入端口与输出端口呈对角分布，输入端口用于输入微波射频信号，输出端口可直接通过同轴线与阵列天线连接，输入端口所在的子阵都位于纵向，输出端口所在的子阵则都位于横向，在横向子阵和纵向子阵的连接处存在4个交叉结构。
2.根据权利要求1所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：3dB/90°耦合器是在圆环形3dB/90°耦合器的基础上，在每个端口处串联一个半波长的传输线和并联一个半波长的开路枝节。
3.根据权利要求2所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：半波长的传输线特征阻抗为87欧姆，半波长的开路枝节特征阻抗为65欧姆，圆环形3dB/90°耦合器中1/4圆弧的特征阻抗分别为55欧姆和37欧姆。
4.根据权利要求1所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：移相器的参考结构由一个传输线分别并联一个开路枝节和一个带接地通孔的短路枝节组成。
5.根据权利要求4所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：开路枝节的特征阻抗为66欧姆、电长度为20°；短路枝节的特征阻抗为70欧姆、电长度为58°。
6.根据权利要求1所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：所述的交叉结构包括交叉耦合器及其交叉传输端口0°参考移相结构。
7.根据权利要求6所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：交叉耦合器由周长为2个波长的圆环交叉耦合器内部加载扇形谐振辐射圆盘构成，圆环交叉耦合器四分之一的电长度为半波长，实际长度为175°，特征阻抗为67欧姆；扇形谐振辐射圆盘半径为1.7mm，扇形结构半径为4.2mm，角度为44°；扇形结构间的特性阻抗为90欧姆，电长度为10°；0°参考移相结构由一段传输线并联两段开路枝节和两段带接地短路通孔的短路枝节组成；开路枝节和短路枝节的特征阻抗皆为105欧姆，电长度为48°；传输线结构的电长度为250°，特征阻抗为56欧姆。
8.根据权利要求1所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：其既可以作为一维扫描天线阵列的多波束馈电网络，又可以作为二维扫描天线阵列的多波束馈电网络；当作为一维扫描天线阵列的多波束馈电网络时，天线单元输入端口位置排布为A1—A16；而当作为二维扫描天线阵列的多波束馈电网络时，天线单元输入端口位置组合为A1，A5，A9，A13；A2，A6，A10，A14；A3，A7，A11，A15和A4，A8，A12，A16。
9.根据权利要求1所述的紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络，其特征在于：通过激励不同输入端口，16个输出端口将产生不同的输出相位差，分别为：(1，‒15，9，‒7，5，‒11，13， ‒3，3，‒13，11，‒5，7，‒9，15，‒1)×11.25°。
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