CN113659354B - 一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，包括：三个信号输入端口、三个信号输出端口、六段横跨定向耦合线、一段半波长传输线、两段四分之三波长传输线和十二段微带传输线。本发明技术方案实现了诺伦矩阵的小型化。同时，本发明矩阵电路无交叉结构和端接负载，降低了插入损耗。本发明矩阵电路的所有信号输出端口位于电路的同一侧，便于与天线阵列组合产生相应的辐射波束；电路输出端口所接微带线的电长度相等，保证三个信号输出端口之间准确的相位差；依次分别激励输入端口Port1到Port3，在输出端口Port4到Port6实现等功率输出和三种不同的输出信号相位差。综上，本发明矩阵电路具有隔离度高、插入损耗小以及输入输出端口阻抗匹配良好等优点。

Description

一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵
技术领域
本发明涉及一种波束可切换天线阵的馈电网络，具体而言，尤其涉及一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵。
背景技术
相控阵天线通常是指带有馈电网络的天线阵列。通过这个馈电网络，每个天线单元都由一个特定幅度和相位的信号馈电，整个天线阵产生的有效辐射方向图指向一个期望的方向，这个方向是由各阵元的渐进相位延迟决定的。
随着5G技术和物联网技术的兴起，智能软件定义的无线网络吸引了大量数据密集型移动设备的接入，以最大限度地减少硬件限制，而先进的波束赋形结构是提高信道容量、增加频谱的关键技术之一。在波束赋形天线阵中，馈电网络是将期望的信号幅度和相位延迟分配给每个阵元的重要组成部分，馈电网络主要有两类：一类是基于准光学技术，另一类是基于电路形式的矩阵，如Blass矩阵、Butler矩阵和Nolen(诺伦)矩阵。矩阵形式的馈电网络是一种多输入多输出的网络，由耦合器、移相器、功分器、开关等元件组成。在矩阵形式的馈电网络中，Butler矩阵是一种著名的类型，其结构对称，输入和输出数量相同。Blass矩阵是另一种类型的矩阵，其输入和输出数量与Butler矩阵相同，每个输入在其输出端口上产生唯一的相位差。Butler矩阵和Blass矩阵的主要区别在于后者由耦合器、移相器和端接负载组成，并去掉了交叉结构。然而，由于结构的限制，Blass矩阵中的一部分信号会流入端接负载。结果表明，与Butler矩阵相比，Blass矩阵的总效率较低。因此，最大程度地降低功率损耗是Blass矩阵最具挑战性的问题。为了克服Blass矩阵的问题，Nolen矩阵是通过沿对角线切割Blass矩阵的一半，并用传输线代替对角线耦合器进行设计的。这样，Nolen矩阵解决了功率损耗问题，并将耦合器和移相器的数量减少了一半以上，以实现尺寸小型化。Nolen矩阵包含N个输入端口和N个输出端口。当某一输入端引入一个信号时，输出端将输出等幅且具有恒等相位差的激励，不同相位差对应不同的天线指向，从而实现波束切换。
目前，实现Nolen矩阵的方式主要有两种，一种是基片集成波导(SIW)形式的Nolen矩阵，另一种是微带线形式的Nolen矩阵。基片集成波导形式的Nolen矩阵虽然具有插入损耗小、集成度高的优点，但是电路的复杂度随着输入输出端口的增加而显著增加，还会使用很多不同耦合度的耦合器且需要分别进行优化。此外，基片集成波导形式的Nolen矩阵越大，在馈线开始处的耦合器就越不平衡，这会受到加工工艺的限制。微带线形式的Nolen矩阵使用具有任意相位差的耦合器，可以在其输出端口产生相对灵活的相位差，但是已有微带线形式的Nolen矩阵的隔离度较差(小于20dB)，且有的电路结构的信号输出端口不在同一侧，不便于与天线阵列有效组合。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，以获得理想的隔离度，并实现电路的小型化以及降低设计的复杂度。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，包括：信号输入端口、信号输出端口、横跨定向耦合线、半波长传输线、四分之三波长传输线和微带传输线；
所述信号输入端口包括第一输入端口、第二输入端口和第三输入端口；
所述信号输出端口包括第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；
所述横跨定向耦合线包括第一TRD耦合线、第二TRD耦合线、第三TRD耦合线、第四TRD耦合线、第五TRD耦合线和第六TRD耦合线；
所述横跨定向耦合线均具有两个输入端和两个输出端，分别为A输入端、B输入端、C输出端和D输出端；
所述四分之三波长传输线包括第一四分之三波长传输线和第二四分之三波长传输线；
所述微带传输线包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线、第六微带传输线、第七微带传输线、第八微带传输线、第九微带传输线、第十微带传输线、第十一微带传输线、第十二微带传输线；
所述3×3诺伦矩阵中各组成部件的连接关系如下：
所述第一TRD耦合线的A输入端经第七微带传输线与第一输入端口相连；所述第一TRD耦合线的B输入端经第一四分之三波长传输线与第三TRD耦合线的C输出端相连；
所述第一微带传输线的一端与第一TRD耦合线的C输出端连接，另一端与第二TRD耦合线的A输入端连接；
所述第二微带传输线的一端与第一TRD耦合线的D输出端连接，另一端与第二TRD耦合线的B输入端连接；
所述第二TRD耦合线的C输出端经第十微带传输线与第一输出端口相连；所述第二TRD耦合线的D输出端经第二四分之三波长传输线与第五TRD耦合线的B输入端相连；
所述第三微带传输线的一端与第三TRD耦合线的A输入端连接，另一端与第四TRD耦合线的C输出端连接；
所述第四微带传输线的一端与第三TRD耦合线的B输入端连接，另一端与第四TRD耦合线的D输出端连接；
所述第四TRD耦合线的A输入端经第八微带传输线与第二输入端口相连；所述第四TRD耦合线的B输入端经第九微带传输线与第三输入端口相连；
所述半波长传输线的一端同时与第三TRD耦合线的D输出端连接，另一端与第五TRD耦合线的A输入端连接；
所述第五微带传输线的一端与第五TRD耦合线的D输出端连接，另一端与第六TRD耦合线的B输入端连接；
所述第六微带传输线的一端与第五TRD耦合线的C输出端连接，另一端与第六TRD耦合线的A输入端连接；
所述第六TRD耦合线的C输出端经第十二微带传输线与第三输出端口相连；所述第六TRD耦合线的D输出端经第十一微带传输线与第二输出端口相连。
进一步地，所述第一微带传输线的电长度为θ1；所述第二微带传输线的电长度为2π-θ1；所述第三微带传输线的电长度和第五微带传输线的电长度相等，均为θ2；所述第四微带传输线的电长度和第六微带传输线的电长度相等，均为2π-θ2；所述第七微带传输线的电长度为θ3；所述第八微带传输线的电长度为θ4；所述第九微带传输线的电长度为θ5；所述第十微带传输线、第十一微带传输线和第十二微带传输线的电长度相等，均为θ6。
进一步地，所述微带传输线、半波长传输线、第一四分之三波长传输线、和第二四分之三波长传输线的特性阻抗相等，均为Z0。
进一步地，所述第一TRD耦合线、第二TRD耦合线、第三TRD耦合线、第四TRD耦合线、第五TRD耦合线和第六TRD耦合线的结构相同，耦合系数均为3dB、且均由一段λ/4耦合微带线和三个加载电容构成。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，实现了诺伦矩阵的小型化。
2、本发明提供的基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，该矩阵电路无交叉结构和端接负载，降低了插入损耗。
3、本发明提供的基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，所有信号输出端口位于电路的同一侧，便于与天线阵列组合产生相应的辐射波束；电路输出端口所接微带线的电长度相等，保证了三个信号输出端口之间准确的相位差；依次分别激励输入端口Port1到Port3，在输出端口Port4到Port6实现了等功率输出和三种不同的输出信号相位差。
4、本发明提供的基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，还具有隔离度高、插入损耗小以及输入输出端口阻抗匹配良好等优点。
基于上述理由，本发明可在5G移动通信等系统中波束可切换天线阵的应用中广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的原理图；
图2为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的第一输入端口激励时，三个信号输出端口的输出信号相位差曲线；
图3为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的第二输入端口激励时，三个信号输出端口的输出信号相位差曲线；
图4为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的第三输入端口激励时，三个信号输出端口的输出信号相位差曲线；
图5为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的S(4,1)、S(5,1)和S(6,1)幅度曲线；
图6为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的S(4,2)、S(5,2)和S(6,2)幅度曲线；
图7为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的S(4,3)、S(5,3)和S(6,3)幅度曲线；
图8为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的回波损耗曲线；
图9为本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵的隔离度曲线。
图中：1、第一输入端口；2、第二输入端口；3、第三输入端口；4、第一输出端口；5、第二输出端口；6、第三输出端口；7、第一TRD耦合线；8、第二TRD耦合线；9、第三TRD耦合线；10、第四TRD耦合线；11、第五TRD耦合线；12、第六TRD耦合线；13、半波长传输线；14、第一四分之三波长传输线；15、第二四分之三波长传输线；16、第一微带传输线；17、第二微带传输线；18、第三微带传输线；19、第四微带传输线；20、第五微带传输线；21、第六微带传输线；22、第七微带传输线；23、第八微带传输线；24、第九微带传输线；25、第十微带传输线；26、第十一微带传输线；27、第十二微带传输线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，包括：信号输入端口、信号输出端口、横跨定向耦合线、半波长传输线13、四分之三波长传输线和微带传输线。其中：
所述信号输入端口包括第一输入端口1、第二输入端口2和第三输入端口3。
所述信号输出端口包括第一输出端口4、第二输出端口5和第三输出端口6。
所述横跨定向耦合线包括第一TRD耦合线7、第二TRD耦合线8、第三TRD耦合线9、第四TRD耦合线10、第五TRD耦合线11和第六TRD耦合线12。
所述第一TRD耦合线7、第二TRD耦合线8、第三TRD耦合线9、第四TRD耦合线10、第五TRD耦合线11和第六TRD耦合线12的结构相同，耦合系数均为3dB、且均由一段λ/4耦合微带线和三个加载电容构成；所述横跨定向耦合线均具有两个输入端和两个输出端，分别为A输入端、B输入端、C输出端和D输出端。
所述四分之三波长传输线包括第一四分之三波长传输线14和第二四分之三波长传输线15。
所述微带传输线包括第一微带传输线16、第二微带传输线17、第三微带传输线18、第四微带传输线19、第五微带传输线20、第六微带传输线21、第七微带传输线22、第八微带传输线23、第九微带传输线24、第十微带传输线25、第十一微带传输线26、第十二微带传输线27。
继续参见图1，所述3×3诺伦矩阵中各组成部件的连接关系如下：
所述第一TRD耦合线7的A输入端1a经第七微带传输线22与第一输入端口1相连；所述第一TRD耦合线7的B输入端1b经第一四分之三波长传输线14与第三TRD耦合线9的C输出端3c相连；
所述第一微带传输线16的一端与第一TRD耦合线7的C输出端1c连接，另一端与第二TRD耦合线8的A输入端2a连接；
所述第二微带传输线17的一端与第一TRD耦合线7的D输出端1d连接，另一端与第二TRD耦合线8的B输入端2b连接；
所述第二TRD耦合线8的C输出端2c经第十微带传输线25与第一输出端口4相连；所述第二TRD耦合线8的D输出端2d经第二四分之三波长传输线15与第五TRD耦合线11的B输入端5b相连；
所述第三微带传输线18的一端与第三TRD耦合线9的A输入端3a连接，另一端与第四TRD耦合线10的C输出端4c连接；
所述第四微带传输线19的一端与第三TRD耦合线9的B输入端3b连接，另一端与第四TRD耦合线10的D输出端4d连接；
所述第四TRD耦合线10的A输入端4a经第八微带传输线23与第二输入端口2相连；所述第四TRD耦合线10的B输入端4b经第九微带传输线24与第三输入端口3相连；
所述半波长传输线13的一端同时与第三TRD耦合线9的D输出端3d连接，另一端与第五TRD耦合线11的A输入端5a连接；
所述第五微带传输线20的一端与第五TRD耦合线11的D输出端5d连接，另一端与第六TRD耦合线12的B输入端6b连接；
所述第六微带传输线21的一端与第五TRD耦合线11的C输出端5c连接，另一端与第六TRD耦合线12的A输入端6a连接；
所述第六TRD耦合线12的C输出端6c经第十二微带传输线27与第三输出端口6相连；所述第六TRD耦合线12的D输出端6d经第十一微带传输线26与第二输出端口5相连。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一微带传输线16的电长度为θ1；所述第二微带传输线17的电长度为2π-θ1；所述第三微带传输线18的电长度和第五微带传输线20的电长度相等，均为θ2；所述第四微带传输线19的电长度和第六微带传输线21的电长度相等，均为2π-θ2；所述第七微带传输线22的电长度为θ3；所述第八微带传输线23的电长度为θ4；所述第九微带传输线24的电长度为θ5；所述第十微带传输线25、第十一微带传输线26和第十二微带传输线27的电长度相等，均为θ6。所述十二段微带传输线、半波长传输线13、第一四分之三波长传输线14、第二四分之三波长传输线15的特性阻抗相等，均为Z0。本实施例中，Z0＝50欧姆，θ1＝35.27度，θ2＝45度，θ3＝225度，θ4＝240度，θ5＝505度，θ6＝748度。
实施例
本实施例中，列举了一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，并对其在中心工作频率为3.5GHz时的情况进行说明，其性能曲线如图2～图9所示。
如图2所示，第一输入端口激励时，在中心工作频率3.5GHz处三个信号输出端口的输出信号相位差为0°。
如图3所示，第二输入端口激励时，在中心工作频率3.5GHz处，第二输出端口与第一输出端口输出信号的相位差为120°，第三输出端口与第二输出端口输出信号的相位差也为120°。
如图4所示，在中心工作频率3.5GHz处，第三输入端口激励时，第二输出端口与第一输出端口输出信号的相位差为-120°，第三输出端口与第二输出端口输出信号的相位差也为-120°。
如图5～图7所示，在中心工作频率3.5GHz处，S(4,1)、S(5,1)、S(6,1)、S(4,2)、S(5,2)、S(6,2)、S(4,3)、S(5,3)和S(6,3)的幅度都为4.77dB，实现了等功率分配。
如图8所示出，在中心工作频率3.5GHz处，各端口的输入反射系数均小于-30dB，实现了良好的输入输出端口阻抗匹配特性。
如图9所示，在中心工作频率3.5GHz处，输入端口之间的隔离度和输出端口之间的隔离度都大于35dB，实现了高隔离度的特性。
综上所述，本发明基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵具有电路尺寸小、隔离度高、插入损耗小以及输入输出端口阻抗匹配良好等特点，非常适合5G移动通信等系统中波束可切换天线阵的应用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，其特征在于，包括：信号输入端口、信号输出端口、横跨定向耦合线、半波长传输线(13)、四分之三波长传输线和微带传输线；
所述信号输入端口包括第一输入端口(1)、第二输入端口(2)和第三输入端口(3)；
所述信号输出端口包括第一输出端口(4)、第二输出端口(5)和第三输出端口(6)；
所述横跨定向耦合线包括第一TRD耦合线(7)、第二TRD耦合线(8)、第三TRD耦合线(9)、第四TRD耦合线(10)、第五TRD耦合线(11)和第六TRD耦合线(12)；
所述横跨定向耦合线均具有两个输入端和两个输出端，分别为A输入端、B输入端、C输出端和D输出端；
所述四分之三波长传输线包括第一四分之三波长传输线(14)和第二四分之三波长传输线(15)；
所述微带传输线包括第一微带传输线(16)、第二微带传输线(17)、第三微带传输线(18)、第四微带传输线(19)、第五微带传输线(20)、第六微带传输线(21)、第七微带传输线(22)、第八微带传输线(23)、第九微带传输线(24)、第十微带传输线(25)、第十一微带传输线(26)、第十二微带传输线(27)；
所述3×3诺伦矩阵中各组成部件的连接关系如下：
所述第一TRD耦合线(7)的A输入端(1a)经第七微带传输线(22)与第一输入端口(1)相连；所述第一TRD耦合线(7)的B输入端(1b)经第一四分之三波长传输线(14)与第三TRD耦合线(9)的C输出端(3c)相连；
所述第一微带传输线(16)的一端与第一TRD耦合线(7)的C输出端(1c)连接，另一端与第二TRD耦合线(8)的A输入端(2a)连接；
所述第二微带传输线(17)的一端与第一TRD耦合线(7)的D输出端(1d)连接，另一端与第二TRD耦合线(8)的B输入端(2b)连接；
所述第二TRD耦合线(8)的C输出端(2c)经第十微带传输线(25)与第一输出端口(4)相连；所述第二TRD耦合线(8)的D输出端(2d)经第二四分之三波长传输线(15)与第五TRD耦合线(11)的B输入端(5b)相连；
所述第三微带传输线(18)的一端与第三TRD耦合线(9)的A输入端(3a)连接，另一端与第四TRD耦合线(10)的C输出端(4c)连接；
所述第四微带传输线(19)的一端与第三TRD耦合线(9)的B输入端(3b)连接，另一端与第四TRD耦合线(10)的D输出端(4d)连接；
所述第四TRD耦合线(10)的A输入端(4a)经第八微带传输线(23)与第二输入端口(2)相连；所述第四TRD耦合线(10)的B输入端(4b)经第九微带传输线(24)与第三输入端口(3)相连；
所述半波长传输线(13)的一端同时与第三TRD耦合线(9)的D输出端(3d)连接，另一端与第五TRD耦合线(11)的A输入端(5a)连接；
所述第五微带传输线(20)的一端与第五TRD耦合线(11)的D输出端(5d)连接，另一端与第六TRD耦合线(12)的B输入端(6b)连接；
所述第六微带传输线(21)的一端与第五TRD耦合线(11)的C输出端(5c)连接，另一端与第六TRD耦合线(12)的A输入端(6a)连接；
所述第六TRD耦合线(12)的C输出端(6c)经第十二微带传输线(27)与第三输出端口(6)相连；所述第六TRD耦合线(12)的D输出端(6d)经第十一微带传输线(26)与第二输出端口(5)相连；
所述第一微带传输线(16)的电长度为θ1；所述第二微带传输线(17)的电长度为2π-θ1；所述第三微带传输线(18)的电长度和第五微带传输线(20)的电长度相等，均为θ2；所述第四微带传输线(19)的电长度和第六微带传输线(21)的电长度相等，均为2π-θ2；所述第七微带传输线(22)的电长度为θ3；所述第八微带传输线(23)的电长度为θ4；所述第九微带传输线(24)的电长度为θ5；所述第十微带传输线(25)、第十一微带传输线(26)和第十二微带传输线(27)的电长度相等，均为θ6；
所述第一TRD耦合线(7)、第二TRD耦合线(8)、第三TRD耦合线(9)、第四TRD耦合线(10)、第五TRD耦合线(11)和第六TRD耦合线(12)的结构相同，耦合系数均为3dB、且均由一段λ/4耦合微带线和三个加载电容构成。
2.根据权利要求1所述的基于横跨定向耦合线的3×3诺伦矩阵，其特征在于，十二段微带传输线、半波长传输线(13)、第一四分之三波长传输线(14)和第二四分之三波长传输线(15)的特性阻抗相等，均为Z0。
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