CN111509352A - 射频3x3巴特勒矩阵 - Google Patents

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CN111509352A CN202010308901.2A CN202010308901A CN111509352A CN 111509352 A CN111509352 A CN 111509352A CN 202010308901 A CN202010308901 A CN 202010308901A CN 111509352 A CN111509352 A CN 111509352A
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刘辉
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    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix

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Abstract

本发明公开了一种射频3X3巴特勒矩阵，其包括第一环形定向耦合器、第二环形定向耦合器、第三环形定向耦合器及一微带线，第一环形定向耦合器的一耦合端口与第三环形定向耦合器的输入端口连接，其另一耦合端口与第二环形定向耦合器的输入端口连接，第二环形定向耦合器的隔离端口与微带线的一端连接，第三环形定向耦合器的一耦合端口与微带线的另一端连接。本发明的射频3X3巴特勒矩阵简单易于设计且加工成本低廉，另外，在任意三个输入端口给予激励信号的情况下，三个输出端口均存在一定的相位差，降低了大规模巴特勒矩阵设计难度。

Description

射频3X3巴特勒矩阵
技术领域
本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种射频3X3巴特勒矩阵。
背景技术
一般对于巴特勒矩阵，常见的形式有4X4,8X8,16X16等以4的倍数形式的设计，但有些特殊情况下会需要一些如3X3形式的特殊矩阵单元。一般现有典型的射频3X3巴特勒矩阵的结构如图1所示，该射频3X3巴特勒矩阵由两个3dB 的90°电桥Q1、Q2，一个4.77dB的90°电桥Q3，以及两个90°移相器S1、S2，三段四分之一波长微带线TL1、TL2、TL3构成。这种结构的3X3巴特勒矩阵可以实现在左侧三个端口任意一个端口输入信号后，幅度三等分后输出到右侧三个端口。
在上述的射频3X3巴特勒矩阵中，由于包含了两个90°移相器S1、S2，使得电路复杂度增加，设计难度也相应增大。而由于90°移相器S1、S2中大部分都需要带状线3dB耦合器，这也进一步的增加了加工难度和加工成本。同时如图1所示的射频3X3巴特勒矩阵结构中，在某些输入端口激励情形下会导致在中心频点处相位同相的情况，其中图1所示的射频3X3巴特勒矩阵结构相位情况分别如图2,图3,图4所示；具体地，图2为端口1作为输入时，输出端口4,5,6 之间的相位图，图3为端口2作为输入时，输出端口4,5,6之间的相位图，图4 为端口3作为输入时，输出端口4,5,6之间的相位图；从图2,3,4中的对比结果来看，当端口3作为输入时，端口4,5,6在中心频率处的相位差为0，即三个端口同相且等幅度，而当端口1或端口2作为输入端口时，端口4,5,6之间的相位差在中心频率处为±120°的差值；因此，从上述可知，在使用上述结构的射频 3X3巴特勒矩阵设计大规模巴特勒矩阵时由于有一种情况下存在同相的相位问题，使得设计难度加大或者不易于进行设计。
因此，有必要提供一种改进的结构简单且能降低大规模巴特勒矩阵设计难度的射频3X3巴特勒矩阵。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频3X3巴特勒矩阵，本发明的射频3X3巴特勒矩阵简单易于设计且加工成本低廉，另外，在任意三个输入端口给予激励信号的情况下，三个输出端口均存在一定的相位差，降低了大规模巴特勒矩阵设计难度。
为实现上述目的，本发明提供一种射频3X3巴特勒矩阵，其包括第一环形定向耦合器、第二环形定向耦合器、第三环形定向耦合器及一微带线，所述第一环形定向耦合器的输入端口与隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输入端口与第二输入端口，所述第一环形定向耦合器的一耦合端口与所述第三环形定向耦合器的输入端口连接，其另一耦合端口与所述第二环形定向耦合器的输入端口连接，所述第二环形定向耦合器的隔离端口与所述微带线的一端连接，所述第二环形定向耦合器的两耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输出端口与第二输出端口，所述第三环形定向耦合器的一耦合端口与所述微带线的另一端连接，其另一耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输出端口，所述第三环形定向耦合器的隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输入端口。
较佳地，所述第一环形定向耦合器与第二环形定向耦合器均为等分的3dB 的环形定向耦合器。
较佳地，所述第三环形定向耦合器为不等分的4.77dB的环形定向耦合器。
较佳地，所述微带线为二分之一波长的微带线。
较佳地，所述第一环形定向耦合器、第二环形定向耦合器、第三环形定向耦合器共同构成一180°环形定向耦合电桥。
与现有技术相比，本发明的射频3X3巴特勒矩阵中没有了传统设计3X3巴特勒矩阵中所存在的90°移相器，因而也就没有了设计移相器所需要的带状线3dB电桥，从而将整个电路只需要平面微带线即可实现，而且在降低加工成本的同时，也降低了设计难度，并简化了3X3巴特勒矩阵；另外，解决了传统3X3 巴特勒矩阵单元在其中一个端口激励时，三个输出端口是同相的问题，易于大规模使用。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术的射频3X3巴特勒矩阵的结构示意图。
图2为图1所示结构的输出信号的一相位图。
图3为图1所示结构的输出信号的又一相位图。
图4为图1所示结构的输出信号的再一相位图。
图5为本发明的射频3X3巴特勒矩阵的结构示意图。
图6为图5所示的环形定向耦合器的端口示意图。
图7为图5所示结构的输出信号的一幅度图。
图8为图5所示结构的输出信号的又一幅度图。
图9为图5所示结构的输出信号的再一幅度图。
图10为图5所示结构的输出信号的一相位图。
图11为图5所示结构的输出信号的又一相位图。
图12为图5所示结构的输出信号的再一相位图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种射频3X3巴特勒矩阵，本发明的射频3X3巴特勒矩阵简单易于设计且加工成本低廉，另外，在任意三个输入端口给予激励信号的情况下，三个输出端口均存在一定的相位差，降低了大规模巴特勒矩阵设计难度。
请结合参考图5与图6，图5为本发明的射频3X3巴特勒矩阵的结构示意图，而图6为图5所示的环形定向耦合器的端口示意图。如图5所示，本发明的射频3X3巴特勒矩阵包括第一环形定向耦合器U1、第二环形定向耦合器U2、第三环形定向耦合器U3及一微带线Z1；其中，如图6所示，各个所述环形定向耦合器四个端口分别为输入端口IN和隔离端口ISO，以及两个耦合端口C1和 C2，而且在图5所示中，各个所述环形定向耦合器的端口设置都完全相同。具体地，所述第一环形定向耦合器U1的输入端口与隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输入端口IN1与第二输入端口IN2，所述第一环形定向耦合器U1的一耦合端口与所述第三环形定向耦合器U3的输入端口连接，其另一耦合端口与所述第二环形定向耦合器U2的输入端口连接，所述第二环形定向耦合器U2的隔离端口与所述微带线Z1的一端连接，所述第二环形定向耦合器U2的两耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输出端口OUT4与第二输出端口OUT5，所述第三环形定向耦合器U3的一耦合端口与所述微带线Z1的另一端连接，其另一耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输出端口OUT6，所述第三环形定向耦合器U3的隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输入端口IN3；且按上述的连接方式，各个所述环形定向耦合器的耦合端口C1和C2相位是同相的端口。另外，在本发明中，所述第一环形定向耦合器U1、第二环形定向耦合器U2、第三环形定向耦合器U3共同构成一180°环形定向耦合电桥,从而使得本发明的射频3X3巴特勒矩阵更适用于窄带工作条件。
做为本发明的一优选实施方式，所述第一环形定向耦合器U1与第二环形定向耦合器U2均为等分的3dB的环形定向耦合器，所述第三环形定向耦合器U3 为不等分的4.77dB的环形定向耦合器，所述微带线Z1为二分之一波长的微带线。从而，在上述的连接方式中：3dB等分的第一环形定向耦合器U1的输入端口IN与隔离端口ISO作为3X3巴特勒矩阵的两个输入端口IN1和IN2，第一环形定向耦合器U1的一个耦合端口C1端连接右上侧的3dB等分的第二环形定向耦合器U2的输入端口IN，同时，第一环形定向耦合器U1的另外一个耦合端口C1端连接下方的4.77dB不等分的第三环形定向耦合器U3的输入端口IN；4.77dB不等分的第三环形定向耦合器U3的隔离端口ISO作为3X3巴特勒矩阵的另外一个输入端口IN3,4.77dB不等分的第三环形定向耦合器U3的一个耦合端口C1耦合功率度为1.82dB,且连接到一段半波长的微带线Z1的一端，该半波长的微带线Z1的另一端连接到右上侧3dB等分的第二环形定向耦合器U2的隔离端口ISO；同时该右上侧的3dB等分的第二环形定向耦合器U2的两个输出耦合口作为3X3巴特勒矩阵的两个输出端口OUT4和OUT5；该3X3巴特勒矩阵的另外一个输出端口为4.77dB不等分的第三环形定向耦合器U3的另外一个耦合输出口C1，且该耦合输出口的耦合度为4.77dB(具体如图5与图6所示)；通过这样的连接方式，可以实现该3X3巴特勒矩阵的三个输出端口幅度相等，均为输入的4.77dB；而半波长的微带线Z1可以用来调节三个输出端口OUT4、 OUT5、UT6的相位。
由上述可知，本发明的射频3X3巴特勒矩阵不再设置90°移相器，也就使得矩阵中没有了设计90°移相器所需要的带状线3dB电桥，从而将整个电路转换成了只需要平面微带线即可实现，因此在降低了加工成本的同时，也实现了设计难度的降低，简化了3X3巴特勒矩阵；另外，解决了传统3X3巴特勒矩阵单元在其中一个端口激励时，三个输出端口是同相的问题，易于大规模使用。
请再结合参考图7至图12，描述本发明射频3X3巴特勒矩阵采用ADS进行原理图仿真而得到的仿真情况。其中，图7为输入端口IN1作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的幅度；图8为输入端口IN2作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的幅度；图9为输入端口IN3作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的幅度；图10为输入端口IN1 作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的相位；图11为输入端口IN2作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的相位；图12为输入端口IN3作为图为输入时，输出端口OUT4、OUT5、OUT6输出的相位；从图7-9三个幅度结果图可以得出，本发明的射频3X3巴特勒矩阵采用了180°环形定向耦合电桥结构，该结构更适用于窄带工作条件；另外，从图10-12可得出，三个在不同输入端口给予单独激励的条件下时，任意两个输出端口之间都存在一定的相位关系。解决了背景技术所示结构在一个端口激励下，三个输出都是同相的问题。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种射频3X3巴特勒矩阵，其特征在于，包括第一环形定向耦合器、第二环形定向耦合器、第三环形定向耦合器及一微带线，所述第一环形定向耦合器的输入端口与隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输入端口与第二输入端口，所述第一环形定向耦合器的一耦合端口与所述第三环形定向耦合器的输入端口连接，其另一耦合端口与所述第二环形定向耦合器的输入端口连接，所述第二环形定向耦合器的隔离端口与所述微带线的一端连接，所述第二环形定向耦合器的两耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第一输出端口与第二输出端口，所述第三环形定向耦合器的一耦合端口与所述微带线的另一端连接，其另一耦合端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输出端口，所述第三环形定向耦合器的隔离端口为所述3X3巴特勒矩阵的第三输入端口。
2.如权利要求1所述的射频3X3巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一环形定向耦合器与第二环形定向耦合器均为等分的3dB的环形定向耦合器。
3.如权利要求1所述的射频3X3巴特勒矩阵，其特征在于，所述第三环形定向耦合器为不等分的4.77dB的环形定向耦合器。
4.如权利要求1所述的射频3X3巴特勒矩阵，其特征在于，所述微带线为二分之一波长的微带线。
5.如权利要求1所述的射频3X3巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一环形定向耦合器、第二环形定向耦合器、第三环形定向耦合器共同构成一180°环形定向耦合电桥。
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