CN110034415B - 一种具有宽带特性的诺兰矩阵及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带特性的诺兰矩阵及其制造方法，所述诺兰矩阵包括第一介质基板，所述第一介质基板的下表面设有共用金属地层，所述第一介质基板的上表面设有宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组，所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器，所述微带差分移相器组包括多段微带线，各所述微带线分别连接在宽带正交耦合器组内以及宽带正交耦合器组和宽带差分移相器之间。本发明诺兰矩阵中，差分移相器组可以在带宽内为宽带正交耦合器组提供稳定的相位差关系，从而使得诺兰矩阵具有良好的宽带特性。本发明广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种具有宽带特性的诺兰矩阵及其制造方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种具有宽带特性的诺兰矩阵及其制造方法。

背景技术

阵列天线具有减少多径衰落和抗同频干扰的优点，被广泛用于现代无线通信系统中。波束赋形馈电网络可以为阵列天线提供特定的幅度和相位差，通过阵元间不同的相位差使阵列天线的定向波束获得不同的指向角，因此阵列天线通常与波束赋形馈电网络配套使用。

波束赋形馈电网络包括罗曼透镜、布拉斯矩阵、巴特勒矩阵和诺兰矩阵等。罗曼透镜基于等光程原理，但通常体积大，此特点限制了其在现代无线通信中的应用；布拉斯矩阵由各耦合器和移相器互相级联组成，然而结构中必须要有负载存在，从而带来了固有损耗；巴特勒矩阵由于其宽带特性被广泛应用，但是其中的跨桥结构增加了设计的难度和复杂度，其端口数越多，所需的跨桥结构越多，设计就越复杂。

诺兰矩阵可以看成布拉斯矩阵的改进版，用一段传输线替换掉边上接有负载的耦合器，从而减小了其固有损耗，诺兰矩阵在拓扑结构上具有和布拉斯矩阵相同的结构一致性，为达到更多端口只需要在拓扑结构上级联更多的耦合器和移相器即可，不需要增加跨桥结构。但现有的诺兰矩阵的拓扑结构是在不同耦合强度的耦合器之间简单的放置移相器，这使得现有的诺兰矩阵具有明显的窄带特性，限制了其在现代无线通信上的应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有宽带特性的诺兰矩阵及其制造方法。

一方面，本发明实施例包括一种具有宽带特性的诺兰矩阵，包括第一介质基板，所述第一介质基板的下表面设有共用金属地层，所述第一介质基板的上表面设有宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组，所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器，所述微带差分移相器组包括多段微带线，各所述微带线分别连接在宽带正交耦合器组内以及宽带正交耦合器组和宽带差分移相器之间。

进一步地，所述宽带正交耦合器组包括第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第三宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括第一宽带移相器、第二宽带移相器和第三宽带移相器；

所述第一宽带正交耦合器与第二宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第二宽带正交耦合器与第三宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器两两之间通过微带线连接；

所述第一宽带正交耦合器与第四宽带正交耦合器之间通过微带线和第一宽带移相器连接，所述第二宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第二宽带移相器连接，所述第三宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第三宽带移相器连接。

进一步地，各所述宽带正交耦合器和各所述宽带移相器分别安装在相应的第二介质基板上，各所述第二介质基板均垂直固定在第一介质基板上，各所述第二介质基板的正面和反面均设有金属贴片，各所述金属贴片上均设有由两条竖向线和一条横向线组成的折线形开槽；同一第二介质基板正面金属贴片上的折线形开槽与反面金属贴片上的折线形开槽反向对称，从而在空间上围成两个平面区域；各第二介质基板上分别设有金属化过孔，所述金属化过孔用于连接第二介质基板上由折线形开槽围成的平面区域所对应的部分正面金属贴片和反面金属贴片。

进一步地，所述第一宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器的损耗均为6.02dB，所述第二宽带正交耦合器和第四宽带正交耦合器的损耗均为4.77dB，所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器的损耗均为3.01dB。

进一步地，所述第一介质基板采用厚度为1.27mm、介电常数为6.15的Rogers RT/Duroid 6006材料制造；所述第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器对应的第二介质基板采用厚度为1.575mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器对应的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；所述第一宽带移相器和第三宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.508mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid 5870材料制造；所述第二宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid 5870材料制造。

进一步地，所述微带差分移相器组还包括开路短路微带短截线，所述开路短路微带短截线与所述第三宽带正交耦合器和第三宽带移相器之间的微带线连接。

进一步地，所述开路短路微带短截线的长度为诺兰矩阵工作波长的四分之一。

进一步地，所述开路短路微带短截线上带有短路端，所述第一介质基板上设有穿透第一介质基板的金属化过孔，所述短路端通过金属化过孔与第一介质基板下表面的共用金属地层连接。

进一步地，所述第一介质基板的上表面还设有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第一端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第二端口通过微带线与第四宽带正交耦合器连接，所述第三端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第四端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第五端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第六端口通过微带线与第二宽带正交耦合器连接，所述第七端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接，所述第八端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接。

另一方面，本发明实施例还包括一种具有宽带特性的诺兰矩阵制造方法，包括以下步骤：在第一介质基板的下表面设置共用金属地层；

在第一介质基板的上表面设置宽带正交耦合器组和宽带差分移相器；所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器；

在第一介质基板的上表面设置微带差分移相器组，所述微带差分移相器组包括多段微带线，从而将相应宽带正交耦合器和/或宽带移相器连接起来。

本发明的有益效果是：宽带差分移相器和微带差分移相器组可以在带宽内为宽带正交耦合器组提供稳定的相位差关系，从而使得诺兰矩阵具有良好的宽带特性。进一步地，理论上诺兰矩阵内的各器件满足特定相位差关系以及宽带频率响应，诺兰矩阵可以达到任意带宽，本实施例中只需将器件的电气参数和尺寸调整至满足相应带宽下所要求的特定相位差关系以及频率响应的宽带特性，本实施例中的诺兰矩阵可以实现宽带特性；带宽内相位差平稳度高，电路尺寸小，易于集成，而且电路结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中的诺兰矩阵的分层结构图；

图2为本发明实施例中的诺兰矩阵的立体图；

图3为本发明实施例中的诺兰矩阵的俯视平面图；

图4为本发明实施例中的宽带正交耦合器或宽带移相器的结构图；

图5为本发明实施例中的诺兰矩阵的拓扑结构图；

图6为本发明实施例中的针对3.01dB的宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图；

图7为本发明实施例中的针对4.77dB的宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图；

图8为本发明实施例中的针对6.02dB的宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图；

图9为本发明实施例中的针对宽带差分移相器的部分仿真的频率响应图；

图10-14为本发明实施例中的针对诺兰矩阵仿真的频率响应图；

图15-19为本发明实施例中的针对诺兰矩阵实测的频率响应图。

具体实施方式

本实施例中一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其结构如图1所示，包括第一介质基板，所述第一介质基板的下表面设有共用金属地层，所述第一介质基板的上表面设有宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组，所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器，所述微带差分移相器组包括多段微带线，各所述微带线分别连接在宽带正交耦合器组内以及宽带正交耦合器组和宽带差分移相器之间。

本实施例中，所述第一介质基板的“上表面”和“下表面”仅用于区分第一介质基板的两个表面，并不表示本发明诺兰矩阵工作时第一介质基板的“上表面”必须向上或“下表面”必须向下。

本实施例中，微带差分移相器组是指用来连接宽带正交耦合器组内不同的宽带正交耦合器，或者连接相应的宽带正交耦合器和宽带移相器的微带线，即多段微带线组成了微带差分移相器组。各段微带线可以通过微带工艺固定在第一介质基板的上表面，共用金属地层可以通过微带工艺固定在第一介质基板的下表面。优选地，各段微带线的阻抗均为50欧姆。

参照图1，当所述第一介质基板的上表面向上时，本实施例诺兰矩阵具有三层结构，即宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组所组成的上层，第一介质基板所在的中层，以及共用金属地层所在的下层。

本实施例中，宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组均具有较好的宽带特性，微带差分移相器组可以提供稳定的相位关系，因此本实施例中的诺兰矩阵具有良好的宽带特性。

进一步作为优选的实施方式，参照图2和图3，所述宽带正交耦合器组包括第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第三宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括第一宽带移相器、第二宽带移相器和第三宽带移相器。

图2是本实施例诺兰矩阵的立体图。参照图2，位于右上方和左下方的虚线圈内的是宽带正交耦合器组，具体包括第一宽带正交耦合器301、第二宽带正交耦合器302、第三宽带正交耦合器303、第四宽带正交耦合器308、第五宽带正交耦合器309和第六宽带正交耦合器310。位于中间的虚线圈内的是宽带差分移相器，具体包括第一宽带移相器305、第二宽带移相器306和第三宽带移相器307。

图3是本实施例诺兰矩阵的从第一介质基板上表面看过去的俯视平面图。参照图3，所述第一宽带正交耦合器与第二宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第二宽带正交耦合器与第三宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器两两之间通过微带线连接；所述第一宽带正交耦合器与第四宽带正交耦合器之间通过微带线和第一宽带移相器连接，所述第二宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第二宽带移相器连接，所述第三宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第三宽带移相器连接。各段微带线均是微带差分移相器组的组成部分。

参照图2和图3，第一宽带移相器和第三宽带移相器作为主线，第二宽带移相器作为参考线，它们组合而成的宽带差分移相器可以提供两个180°的相位差。

进一步作为优选的实施方式，各所述宽带正交耦合器和各所述宽带移相器分别安装在相应的第二介质基板上。也就是说，本实施例中，第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第三宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器、第六宽带正交耦合器、第一宽带移相器、第二宽带移相器和第三宽带移相器的器件的结构是一样的，在本实施例中，它们都是通过在第二介质基板上设置反相器来实现的。所述第二介质基板是一种垂直安放基板结构，即第二介质基板安装在第一介质基板上，且与第一介质基板垂直。

本实施例中，第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第三宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器、第六宽带正交耦合器、第一宽带移相器、第二宽带移相器和第三宽带移相器的电气性能可以不同，这可以通过选择相应的第二介质基板材料和反相器电气参数来达到所要的电气性能。

本实施例中，各所述宽带正交耦合器和各所述宽带移相器都可以通过图4所示的第二介质基板和反相器组成的结构来实现。

参照图4，第二介质基板的正面和反面均设有金属贴片，各所述金属贴片上均设有由两条竖向线和一条横向线组成的折线形开槽；同一第二介质基板正面金属贴片上的折线形开槽与反面金属贴片上的折线形开槽反向对称，从而在空间上围成两个平面区域；各第二介质基板上分别设有金属化过孔，所述金属化过孔用于连接第二介质基板上由折线形开槽围成的平面区域所对应的部分正面金属贴片和反面金属贴片。

图4所示的金属贴片和金属化过孔形成了一个反相器，该反相器和第二介质基板所组成的器件可以作为本实施例中所使用的宽带正交耦合器或宽带移相器。

优选地，对于作为主线的第一宽带移相器和第三宽带移相器，以及作为参考线的第二宽带移相器，其器件结构在图4所示的结构的基础上还可以进一步进行以下设计：在第二介质基板其中一面上的金属贴片两端连接微带线；第二介质基板另一面上的金属贴片两端短路并连接布有金属化过孔的微带线，使得金属贴片可以通过微带线和金属化过孔与第一介质基板下表面的共用金属地连接。通过上述设计，本实施例中的各宽带移相器组合而成的差分移相器属于反射型宽带差分移相器。

本实施例中，所述第一介质基板采用厚度为1.27mm、介电常数为6.15的RogersRT/Duroid 6006材料制造；所述第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器所用的第二介质基板采用厚度为1.575mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器所用的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造，使得所述第一宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器的损耗均为6.02dB，所述第二宽带正交耦合器和第四宽带正交耦合器的损耗均为4.77dB，所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器的损耗均为3.01dB。所述第一宽带移相器和第三宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.508mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid 5870材料制造；所述第二宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid5870材料制造。

进一步作为优选的实施方式，参照图2和图3，所述微带差分移相器组还包括开路短路微带短截线，所述开路短路微带短截线与所述第三宽带正交耦合器和第三宽带移相器之间的微带线连接。

进一步作为优选的实施方式，所述开路短路微带短截线的长度为诺兰矩阵工作波长的四分之一。本实施例中，诺兰矩阵的工作频率为1.8GHz。

进一步作为优选的实施方式，所述开路短路微带短截线上带有短路端，所述第一介质基板上设有穿透第一介质基板的金属化过孔，所述短路端通过金属化过孔与第一介质基板下表面的共用金属地层连接。

进一步作为优选的实施方式，参照图2和图3，所述第一介质基板的上表面还设有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第一端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第二端口通过微带线与第四宽带正交耦合器连接，所述第三端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第四端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第五端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第六端口通过微带线与第二宽带正交耦合器连接，所述第七端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接，所述第八端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接。

第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口、第六端口、第七端口和第八端口可以使用与微带材料相同的材料制作，并通过微带工艺固定在第一介质基板的上表面。

本实施例中，当诺兰矩阵具有如图2-图4所示的结构时，其拓扑结构以及各器件的相移如图5所示。参照图5，本实施例诺兰矩阵中各器件的相移关系满足以下约束关系：φ ₆ + γ ₃ =φ ₇ +γ ₂ +π, φ ₂ =φ ₁ +π/4, φ ₃ =θ ₃ +φ ₂ +γ ₁ +π/4,φ ₄ =θ ₄ +φ ₃ +γ ₂ +π/4,φ ₅ =θ ₄ +φ ₆ +γ ₁ +π,φ ₈ =θ ₄ +φ ₉ +γ ₃ +π/2。其中φ ₁ 为第三宽带正交耦合器到第八端口的相移，φ ₂ 为第三宽带正交耦合器到第七端口的相移，φ ₃ 为第二宽带正交耦合器到第六端口的相移，φ ₄ 为第一宽带正交耦合器到第五端口的相移，φ ₅ 为第五宽带正交耦合器与第三宽带正交耦合器之间的相移，φ ₆ 为第五宽带正交耦合器与第二宽带正交耦合器之间的相移，φ ₇ 为第四宽带正交耦合器与第一宽带正交耦合器之间的相移，φ ₈ 为第六宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间的相移，φ ₉ 为第六宽带正交耦合器与第四宽带正交耦合器之间的相移，γ₁为第二宽带正交耦合器与第一宽带正交耦合器之间的相移，γ₂为第一宽带正交耦合器与第二宽带正交耦合器之间的相移，γ₃为第四宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间的相移，θ₃为第三正交耦合器或第六正交耦合器耦合路径的相移，θ ₄ 为第二正交耦合器或第四正交耦合器耦合路径的相移。

本实施例中，可以通过以下步骤来设计并制造本实施例中的具有图2-图4结构的诺兰矩阵：

首先，根据诺兰矩阵的使用需要，确定宽带正交耦合器组和宽带差分移相器所需的中心频率。选定第一介质基板和第二介质基板的相对介电常数和厚度，然后根据中心频率和第一介质基板的相对介电常数和厚度计算出微带线的宽度。根据中心频率、所需的宽带正交耦合器组和宽带差分移相器之间耦合系数、第二介质基板的相对介电常数和厚度分别确定各第二介质基板上金属贴片的长和宽。对于宽带差分移相器和微带差分移相器组等差分移相器组，在设计各微带差分移相器和宽带移相器时，保证相移满足约束关系：φ ₆ +γ ₃ =φ ₇ +γ ₂ +π, φ ₂ =φ ₁ +π/4, φ ₃ =θ ₃ +φ ₂ +γ ₁ +π/4,φ ₄ =θ ₄ +φ ₃ +γ ₂ +π/4,φ ₅ =θ ₄ +φ ₆ +γ ₁ +π,φ ₈ =θ ₄ +φ ₉ +γ ₃ +π/2。为方便设计，将γ₂设计成和γ₃相等，并且将φ ₅ 分成两部分φ ₅ ¹和φ ₅ ²，其中φ ₅ ¹=θ₄ +γ₁，φ ₅ ²=φ ₆ +π。将φ ₆ 作为参考线的相移，φ ₇ 和φ ₅ ²作为两条主线的相移，三条线合并成宽带差分移相器，并用垂直安放基板结构实现宽带移相器。将γ₁作为参考线的相移，φ ₅ ¹作为主线的相移合并成微带差分移相器组，并用开路短路微带短截线实现微带差分移相器。

上述计算过程可以通过现有技术和知识来进行。

根据上述选定和计算出来的参数，在第一介质基板的下表面设置共用金属地层；在第一介质基板的上表面设置宽带正交耦合器组和宽带差分移相器；所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器；在第一介质基板的上表面设置微带差分移相器组，所述微带差分移相器组包括多段微带线，从而将相应宽带正交耦合器和/或宽带移相器连接起来。

本实施例中，图2和图3所示的诺兰矩阵具有以下有益效果：

宽带差分移相器和微带差分移相器组可以在带宽内为宽带正交耦合器组提供稳定的相位差关系，从而使得诺兰矩阵具有良好的宽带特性；

通过图2和图3所示的结构，理论上诺兰矩阵内的各器件满足特定相位差关系以及宽带频率响应，诺兰矩阵可以达到任意带宽，本实施例中只需将器件的电气参数和尺寸调整至满足相应带宽下所要求的特定相位差关系以及频率响应的宽带特性，本实施例中的诺兰矩阵可以实现宽带特性；

带宽内相位差平稳度高，电路尺寸小，易于集成，而且电路结构简单，成本低。

本实施例中，设定以下条件：第一介质基板采用厚度为1.27mm、介电常数为6.15的Rogers RT/Duroid 6006材料制造；所述第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器所用的第二介质基板采用厚度为1.575mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造，使得所述第一宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器的损耗均为6.02dB，所述第二宽带正交耦合器和第四宽带正交耦合器的损耗均为4.77dB，所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器的损耗均为3.01dB；所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器所用的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；图2和图3中所示的尺寸参数取值分别为：W ₀ =1.87 mm, HD = 1.27 mm, L _s = 2 mm, W _s = 0.1 mm, R _a = 0.4 mm, R = 0.5 mm, W ₁ =1.5 mm, W ₃ = 4.2 mm, W ₄ = 5.3 mm, W ₆ = 3.2 mm, W _{3_2} = 4 mm, W _{4_2} = 4.7 mm, W _{6_2} =3.3 mm, W _q = 0.87 mm, W _c = 2.4 mm, W _c1 = 3.5 mm, W _s1= 1.87 mm, H _c = 0.787 mm, H _c1 = 0.508 mm, H ₃ = 0.787 mm, H ₄ = 1.575 mm, H ₆ = 1.575 mm, D ₁ = 4.6 mm, D ₂ =7.35 mm, D ₃ = 15.14 mm, D ₄ = 9.3 mm, L _c = 25 mm, L _c1 = 25 mm, L ₃ = 25.5 mm, L ₄= 26 mm, L ₆ = 27 mm, L _s1 = 9.86 mm, P = 4.5 mm。在上述条件下对本实施例中的诺兰矩阵进行仿真和数据实测，仿真和实测的结果如图6-图19所示。

针对3.01dB的第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图如图6所示。通过图6可以看出，通过使用3.01dB的宽带正交耦合器，本实施例中的诺兰矩阵实现了宽带功分特性并能提供输出端口宽带90°相位差。

针对4.77dB的第二宽带正交耦合器和第四宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图如图7所示。通过图7可以看出，通过使用4.77dB的宽带正交耦合器，本实施例中的诺兰矩阵实现了宽带功分特性并能提供输出端口宽带90°相位差。

针对6.02dB的第一宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器的部分仿真的频率响应图如图8所示。通过图8可以看出，通过使用6.02dB的宽带正交耦合器，本实施例中的诺兰矩阵实现了宽带功分特性并能提供输出端口宽带90°相位差。

针对宽带差分移相器的部分仿真的频率响应图如图9所示。通过图9可以看出，宽带差分移相器实现了宽带180°差分移相功能，且相位差平坦度高。通过使用宽带差分移相器和微带差分移相器组，本实施例中的诺兰矩阵具有较高的相位差平坦度，较佳的回波损耗和插入损耗。

针对诺兰矩阵仿真的频率响应图如图10-14所示，针对诺兰矩阵实测的频率响应图如图15-19所示。在实测结果中，诺兰矩阵的中心频率为1.8GHz，在15dB回波损耗和1dB插入损耗变化范围下第一端口的频率响应带宽超过45%，第二端口的频率响应带宽超过39%，第三端口和第四端口的频率响应带宽超过30%，且各端口相位差平坦度较好，与标准相位差相比，相位误差低于5%。

通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线基本吻合，表明了本发明的方案切实可行。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，包括第一介质基板，所述第一介质基板的下表面设有共用金属地层，所述第一介质基板的上表面设有宽带正交耦合器组、宽带差分移相器和微带差分移相器组，所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器，所述微带差分移相器组包括多段微带线，各所述微带线分别连接宽带正交耦合器组内不同的宽带正交耦合器以及连接相应的宽带正交耦合器和宽带移相器；

各所述宽带正交耦合器和各所述宽带移相器分别安装在相应的第二介质基板上，各所述第二介质基板均垂直固定在第一介质基板上，各所述第二介质基板的正面和反面均设有金属贴片，各所述金属贴片上均设有由两条竖向线和一条横向线组成的折线形开槽；同一第二介质基板正面金属贴片上的折线形开槽与反面金属贴片上的折线形开槽反向对称，从而在空间上围成两个平面区域；各第二介质基板上分别设有金属化过孔，所述金属化过孔用于连接第二介质基板上由折线形开槽围成的平面区域所对应的部分正面金属贴片和反面金属贴片。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述宽带正交耦合器组包括第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第三宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括第一宽带移相器、第二宽带移相器和第三宽带移相器；

所述第一宽带正交耦合器与第二宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第二宽带正交耦合器与第三宽带正交耦合器之间通过微带线连接，所述第四宽带正交耦合器、第五宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器两两之间通过微带线连接；

所述第一宽带正交耦合器与第四宽带正交耦合器之间通过微带线和第一宽带移相器连接，所述第二宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第二宽带移相器连接，所述第三宽带正交耦合器与第五宽带正交耦合器之间通过微带线和第三宽带移相器连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述第一宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器的损耗均为6.02dB，所述第二宽带正交耦合器和第四宽带正交耦合器的损耗均为4.77dB，所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器的损耗均为3.01dB。

4.根据权利要求3所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述第一介质基板采用厚度为1.27mm、介电常数为6.15的Rogers RT/Duroid 6006材料制造；所述第一宽带正交耦合器、第二宽带正交耦合器、第四宽带正交耦合器和第五宽带正交耦合器对应的第二介质基板采用厚度为1.575mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；所述第三宽带正交耦合器和第六宽带正交耦合器对应的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid 5880材料制造；所述第一宽带移相器和第三宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.508mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid 5870材料制造；所述第二宽带移相器对应的第二介质基板采用厚度为0.787mm、介电常数为2.33的Rogers RT/Duroid 5870材料制造。

5.根据权利要求2所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述微带差分移相器组还包括开路短路微带短截线，所述开路短路微带短截线与所述第三宽带正交耦合器和第三宽带移相器之间的微带线连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述开路短路微带短截线的长度为诺兰矩阵工作波长的四分之一。

7.根据权利要求6所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述开路短路微带短截线上带有短路端，所述第一介质基板上设有穿透第一介质基板的金属化过孔，所述短路端通过穿透所述第一介质基板的金属化过孔与第一介质基板下表面的共用金属地层连接。

8.根据权利要求2所述的一种具有宽带特性的诺兰矩阵，其特征在于，所述第一介质基板的上表面还设有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第一端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第二端口通过微带线与第四宽带正交耦合器连接，所述第三端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第四端口通过微带线与第六宽带正交耦合器连接，所述第五端口通过微带线与第一宽带正交耦合器连接，所述第六端口通过微带线与第二宽带正交耦合器连接，所述第七端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接，所述第八端口通过微带线与第三宽带正交耦合器连接。

9.一种具有宽带特性的诺兰矩阵制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一介质基板的下表面设置共用金属地层；

在第一介质基板的上表面设置宽带正交耦合器组和宽带差分移相器；所述宽带正交耦合器组包括多个宽带正交耦合器，所述宽带差分移相器包括多个宽带移相器；

在第一介质基板的上表面设置微带差分移相器组，所述微带差分移相器组包括多段微带线，从而将相应宽带正交耦合器和宽带移相器连接起来；

各所述宽带正交耦合器和各所述宽带移相器分别安装在相应的第二介质基板上，各所述第二介质基板均垂直固定在第一介质基板上，各所述第二介质基板的正面和反面均设有金属贴片，各所述金属贴片上均设有由两条竖向线和一条横向线组成的折线形开槽；同一第二介质基板正面金属贴片上的折线形开槽与反面金属贴片上的折线形开槽反向对称，从而在空间上围成两个平面区域；各第二介质基板上分别设有金属化过孔，所述金属化过孔用于连接第二介质基板上由折线形开槽围成的平面区域所对应的部分正面金属贴片和反面金属贴片。

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