CN207852927U - 3×3Butler矩阵馈电网络及天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种3×3Butler矩阵馈电网络，其具有第一、第二、第三输入端口及第一、第二、第三输出端口，包括基板、均以电路形式设于所述基板上的第一电桥、第二电桥、第三电桥、第一固定移相器、第二固定移相器、第三固定移相器、第四固定移相器及第五固定移相器，以使得电信号从任一所述输入端口输入时，从三个所述输出端口输出三路幅度相等，相位成等差数列的信号。所述3×3Butler矩阵馈电网络结构简洁、尺寸小、隔离度高、损耗小。此外，本实用新型还提供了一种应用所述3×3Butler矩阵馈电网络的天线。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信领域，具体而言，本实用新型涉及一种3×3Butler矩阵及一种天线。
背景技术
随着移动通信的发展，在一些如高校楼群、车站广场等人群密集热点区域，频谱容量不足，网络拥堵现象较为严重。为了满足用户的通信质量的要求，通信系统的容量需要进一步得到提升。提升系统容量的一个有效方法是采用多波束基站天线将传统的120°扇区再分裂成N(N＞2)个小区，采用N个子波束覆盖将网络质量提高到原来的N倍。
目前的无源多波束网络基于准光学原理的透镜或者反射天线技术和基于电路形式的馈电网络矩阵技术。第一种方法采用在不同位置设置馈源以形成多波束，此类方法一般是适用于工作在几十GHz频段的毫米波天线，这种天线体积小，具有波束多、带宽宽、旁瓣电平低等优点。第二类技术主要有Butler矩阵、Blass矩阵和Nolen矩阵，主要采用耦合器和移相器来实现对信号的幅度和相位的分配。其中，Butler矩阵网络是一种经常使用的造价低廉、损耗小的波束形成网络，其可以降低基站功率损耗，提升网络性能。
目前现有部分三波束天线系统技术Butler矩阵馈电网络采用4×4的Butler改进，将中间两个输出合并，形成正前方波束。但是这种三波束天线系统技术Butler矩阵馈电网络的两个端输出的射频信号有相位差，导致有网络中存在合成能量损耗。
实用新型内容
本实用新型的首要目的旨在提供一种结构简洁、尺寸小、隔离度高、损耗小的3×3Butler矩阵馈电网络。
同时，本实用新型还提供了一种应用所述3×3Butler矩阵馈电网络的天线。
为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
一种3×3Butler矩阵馈电网络，具有第一、第二、第三输入端口及第一、第二、第三输出端口，包括基板、均以电路形式设于所述基板上的第一电桥、第二电桥、第三电桥、第一固定移相器、第二固定移相器、第三固定移相器、第四固定移相器及第五固定移相器；
每个所述电桥均具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个所述固定移相器均具有一个输入端和一个输出端；
其中，所述第二电桥的第二输入端、第一电桥的第一输入端、第二输入端与所述第一输入端口、第二输入端口和第三输入端口一一对应连接，所述第二固定移相器、第三固定移相器和第四固定移相器的输出端与所述第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口一一对应连接；
所述第一电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第二电桥的第一输入端、第一固定移相器的输入端连接；
第二电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第二固定移相器、第五固定移相器的输入端连接；
第三电桥的第一输入端、第二输入端分别与所述第五固定移相器、第一固定移相器的输出端连接，第三电桥的第一输出端、第二输出端分别与第三固定移相器、第四固定移相器的输入端连接；
以使得电信号从任一所述输入端口输入时，从三个所述输出端口输出三路幅度相等，相位成等差数列的信号。
具体地，还包括设于所述基板上并与所述第一输入端口连接的微带线，所述微带线还通过跳线与所述第二电桥的第二输入端电连接。
具体地，所述跳线与所述微带线和第二电桥分设于所述基板相对的两个端面，并且当所述跳线为同轴传输线时，其两端的内导体穿过所述基板上的过孔与所述微带线和第二电桥的第二输入端连接；当所述跳线为共面波导线时，其两端的内导体穿过所述基板上的过孔或者利用金属针与所述微带线和第二电桥的第二输入端连接。
可选地，所述第一、第二、第三电桥均为微带线、带状线或波导结构中的任意一种。
可选地，所述第一、第二、第三电桥为分支线定向耦合器或耦合线定向耦合器。
具体地，以所述第五固定移相器为移相器的基准线，所述第一、第二、第三固定移相器均为180°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°；所述第四固定移相器为90°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°。
具体地，所述第一、第二、第三、第四、第五固定移相器均设有用于调节相位的开路枝节。
具体地，所述第一、第二、第三电桥的第一输出端和第一输入端同侧，所述第一、第二、第三电桥的第二输出端和第二输入端同侧。
具体地，所述第一、第三电桥各自的两个输出端的信号功率为其信号输入端的信号功率的一半，与信号输入端异侧的输出端的信号相位滞后于信号输入端同侧的输出端90°；所述第二电桥两个输出端的信号功率比为1:2，并且与信号输入端异侧的输出端的信号功率为输入信号的1/3,与信号输入端同侧的输出端的信号功率为输入信号的2/3。
此外，本实用新型还提供了一种天线。所述天线包括上述的3×3Butler矩阵馈电网络。
相比于现有技术，本实用新型的方案具有以下优点：
本实用新型的技术方案中，将所述第一电桥、第二电桥、第三电桥和第一固定移相器、第二固定移相器、第三固定移相器、第四固定移相器、第五固定移相器等器件以电路形式设于基板上，结构紧凑，可以减少相应器件腔体、射频接头的使用，有利于缩小原先的矩阵馈电网络的体积，减少了成本。同时，本×3Butler矩阵馈电网络隔离度高和信号能量损耗小。
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型中的3×3Butler矩阵馈电网络的一种实施例的结构示意图；
图2为图1的背面图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
如图1所示，本实用新型提供了一种3×3Butler矩阵馈电网络的实施例。
所述3×3Butler矩阵馈电网络100，具有第一输入端口IN1、第二输入端口IN2、第三输入端口IN3及第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2、第三输出端口OUT3，包括基板104、均以电路形式设于所述基板104上的第一电桥1、第二电桥2、第三电桥3、第一固定移相器4、第二固定移相器5、第三固定移相器6、第四固定移相器7及第五固定移相器8。
每个所述电桥均具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个所述固定移相器均具有一个输入端和一个输出端。
其中，所述第二电桥2的第二输入端21、第一电桥1的第一输入端10、第二输入端11与所述第一输入端口IN1、第二输入端口IN2和第三输入端口IN3一一对应连接，所述第二固定移相器5、第三固定移相器6和第四固定移相器7的输出端与所述第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2和第三输出端口OUT3一一对应连接。
所述第一电桥1的第一输出端12、第二输出端13分别与所述第二电桥2的第一输入端20、第一固定移相器4的输入端连接。
第二电桥2的第一输出端22、第二输出端23分别与所述第二固定移相器5、第五固定移相器8的输入端连接。
第三电桥3的第一输入端30、第二输入端31分别与所述第五固定移相器8、第一固定移相器4的输出端连接，第三电桥3的第一输出端32、第二输出端33分别与第三固定移相器6、第四固定移相器7的输入端连接。
所述3×3Butler矩阵馈电网络100的射频信号从第一电桥1的第一输入端10、第二输入端11和第二电桥2的第二输入端21输入，从第二固定移相器5、第四固定移相器7、第五固定移相器8的输出端输出。所述3×3Butler矩阵馈电网络可以使得电信号从其任一所述输入端口输入时，从三个所述输出端口输出三路幅度相等，相位成等差数列的信号。
所述3×3Butler矩阵馈电网络100改进了现有的部分三波束天线系统技术Butler矩阵馈电网络，将所述第一电桥1、第二电桥2、第三电桥3和第一固定移相器4、第二固定移相器5、第三固定移相器6、第四固定移相器7、第五固定移相器8等器件以电路形式设于基板104上，结构紧凑，可以减少相应器件腔体、射频接头的使用，有利于缩小原先的矩阵馈电网络的体积，减少了成本。同时，本×3Butler矩阵馈电网络隔离度高和信号能量损耗小。
在所述第一电桥1、第二电桥2、第三电桥3的第一输出端和第二输出端两个输出端中，当射频信号从电桥的一个输入端输入时，该电桥的另一个输入端则为隔离端，没有能量输出。同时，在这种情形下，与输入端同侧的输出端的信号的相位比与输入端异侧的输出端的信号的相位超前90°。
如图2所示，所述3×3Butler矩阵馈电网络100还包括设于所述基板104上并与所述第一输入端口IN1连接的微带线9。所述微带线9作为阻抗匹配所用，以使得第一输入端口IN1的射频信号能更好地馈入所述第二电桥2的所述第二输入端21。所述微带线9还通过跳线105与所述第二电桥2的第二输入端21电连接。
所述3×3Butler矩阵馈电网络100的射频信号可经所述微带线9输入所述第二电桥2的所述第二输入端21。
具体地，所述第一、第二、第三电桥的第一输出端和第一输入端同侧，所述第一、第二、第三电桥的第二输出端和第二输入端同侧,一方面，有利于整体器件的结构的布局；另一方面，避免了各个电桥之间的输入端和输出端的信号之间的相互干扰。
请继续参照图2，所述跳线105与所述微带线9和第二电桥2分设于所述基板104相对的两个端面，并且所述跳线105为同轴传输线，其两端的内导体穿过所述基板104上的过孔1040与所述微带线9和第二电桥2的第二输入端21连接
在本实用新型的另一种优选方案中，所述跳线105也可以为共面波导线时，其两端的内导体穿过所述基板104上的过孔1040或者利用金属针(未示出)与所述微带线9和第二电桥2的第二输入端21连接。
所述微带线9利用跳线105与所述第二电桥2的第二输入端21电连接，避免了使用到空中跨接的金属片或电桥等从正面连接，有效地避免了正面微带线的干涉，不需要使用任何空中跨接的金属片或电桥等，提高了互调的稳定性，并且降低了成本，简易方便。
具体地，以所述第五固定移相器8为移相器的基准线，所述第一、第二、第三固定移相器均为180°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°；所述第四固定移相器7为90°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°。例如，所述第五固定移相器8为90°固定角度移相器，则第一、第二、第三固定移相器为270°固定角度移相器，所述第四固定移相器7为180°固定角度移相器。相对于所述第五固定移相器8而言，所述第一、第二、第三固定移相器多将信号的传输相位迟延180°，所述第四固定移相器7多将信号的传输相位迟延90°。
进一步地，所述第一电桥1、第三电桥3各自的两个输出端的信号功率为其信号输入端的信号功率的一半，与信号输入端异侧的输出端的信号相位滞后于信号输入端同侧的输出端90°；所述第二电桥2两个输出端的信号功率比为1:2，并且与信号输入端异侧的输出端的信号功率为输入信号的1/3,与信号输入端同侧的输出端的信号功率为输入信号的2/3。
在本实用新型的本3×3Butler矩阵馈电网络100一种更为具体的实施例的工作原理如下：
当射频信号从微带线9输入到第二电桥2的第二输入端21，亦即，射频信号从所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输入端口IN1输入时，射频信号首先经过跳线105，输入到第二电桥2的第二输入端21，第二电桥2将所述射频信号分为两路幅度和相位不相等的信号，分别为：第二电桥2的第一输出端22的信号为1/3∠-90°，第二电桥2的第二输出端23的信号为2/3∠0°。其中，所述第二电桥2的第一输出端22的信号馈入到第二固定移相器5后，所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输出端OUT1输出信号为1/3∠-270°；第二电桥2的第二输出端21的信号馈入到第三固定移相器6后输入到第三电桥3，此时所述第三电桥3的第一输入端30的输入信号为2/3∠-180°。所述射频信号流入到第三电桥3后，第三电桥3的第一输出端32输出信号通过第四固定移相器7后，所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第二输出端OUT2输出信号为1/3∠-270°，所述第三电桥3的第二输出端33输出信号通过第五固定移相器8后，所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第三输出端OUT3输出信号为1/3∠-270°。因此，如果射频信号从所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输入端输入时，则所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2、第三输出端口OUT3输出信号分别为1/3∠-270°、1/3∠-270°、1/3∠-270°，即三路输出端口的信号幅度相等，相位相同。
当射频信号从所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第二输入端口IN2输入时，亦即射频信号从第一电桥1的第一输入端10输入时，射频信号首先经过第一电桥1被分为两路幅度相等、相位相差90°的信号，由于所述第一电桥1的第一输出端12输出的信号比其第二输出端13输出的信号超前90°因此所述第一电桥1的第一输出端12的信号为1/2∠0°，所述第二输出端13的信号为1/2∠-90°。其中，对于所述第一电桥1的第一输出端12的信号输入第二电桥2的第一输入端20而言，所述第二电桥2的第一输出端22信号为1/3∠0°,经过第二固定移相器5移相后为1/3∠-180°，所述第二电桥2的第二输出端23信号为1/6∠-90°，所述第二输出端23的信号经过第三移相器6后输入到第三电桥3的第一输入端30时的信号为1/6∠-270°，经过第三电桥3后，所述第三电桥3的第一输出端32的信号为1/12∠-270°，所述第一输出端32的信号在经过第四移相器7变为1/12∠-360°，所述第二输出端23的信号在第三电桥3的第二输出端33输出为1/12∠-360°。同时，对于所述第一电桥1的第二输出端13的信号输入第一固定移相器4后而言，信号输入第三电桥3的第二输入端31时为1/2∠-270°，馈入第三电桥3后，第三电桥3的第一输出端32信号为1/4∠-360°，所述第一输出端32的信号再经过第四固定移相器7变为1/4∠-90°，所述第二输出端33的信号为1/4∠-270°，经过第五固定移相器8后仍为1/4∠-270°。综上，所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输出端口OUT1的信号为经过第二固定移相器5的信号1/3∠-180°；所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第二输出端口OUT2的信号为经过第四固定移相器7后的信号1/12∠-360°和信号1/4∠-90°的矢量叠加，亦即1/3∠-60°；所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第三输出端口OUT3的信号为经过第五固定移相器8后的信号1/12∠-360°和信号1/4∠-270°的矢量叠加，亦即1/3∠-300°。故所述3×3Butler矩阵馈电网络100的三路输出端口的信号幅度相等，相邻端口相位差为-120°。
同理，当射频信号从所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第三输入端口IN3输入时，亦即，射频信号从第一电桥1的第二输入端11输入时，射频信号首先经过第一电桥1被分为两路幅度相等、相位相差90°的信号，其中，所述第一电桥1的第一输出端12输出的信号比其第二输出端13输出的信号滞后90°，所述3×3Butler矩阵馈电网络100的第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2、第三输出端口OUT3输出信号分别为1/3∠-30°、1/3∠-270°、1/3∠-150°，即三路输出端口的信号幅度相等，相邻端口相位差为﹢120°。
可选地，所述第一、第二、第三电桥均为微带线、带状线或波导结构中的任意一种。
例如，所述第一电桥1为微带线结构、第二电桥2为带状线结构、第三电桥3为波导结构。所述第一、第二、第三电桥的结构类型根据实际的需要进行调整。一般情形下，所述第一、第二、第三一般均为一致的结构，如均为带状线结构，所述第一、第二、第三电桥均为同一结构，有利于空间的布局和所述3×3Butler矩阵馈电网络100的简洁美观。
可选地，所述第一、第二、第三电桥为分支线定向耦合器或耦合线定向耦合器。
例如，所述第一电桥1为分支线定向耦合器，所述第二、第三电桥为耦合线定向耦合器。所述第一、第二、第三电桥所属的定向耦合器类型根据实际的需要进行调整。一般情形下，所述第一、第二、第三电桥优选为同一定向耦合器，如分支线定向耦合器，有利于空间的布局和所述3×3Butler矩阵馈电网络100的简洁美观。
具体地，所述第一、第二、第三、第四、第五固定移相器均设有用于调节相位的开路枝节。
此外，本实用新型还提供了一种应用3×3Butler矩阵馈电网络的天线。
以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种3×3Butler矩阵馈电网络，具有第一、第二、第三输入端口及第一、第二、第三输出端口，其特征在于，包括基板、均以电路形式设于所述基板上的第一电桥、第二电桥、第三电桥、第一固定移相器、第二固定移相器、第三固定移相器、第四固定移相器及第五固定移相器；
每个所述电桥均具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，每个所述固定移相器均具有一个输入端和一个输出端；
其中，所述第二电桥的第二输入端、第一电桥的第一输入端、第二输入端与所述第一输入端口、第二输入端口和第三输入端口一一对应连接，所述第二固定移相器、第三固定移相器和第四固定移相器的输出端与所述第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口一一对应连接；
所述第一电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第二电桥的第一输入端、第一固定移相器的输入端连接；
第二电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第二固定移相器、第五固定移相器的输入端连接；
第三电桥的第一输入端、第二输入端分别与所述第五固定移相器、第一固定移相器的输出端连接，第三电桥的第一输出端、第二输出端分别与第三固定移相器、第四固定移相器的输入端连接；
以使得电信号从任一所述输入端口输入时，从三个所述输出端口输出三路幅度相等，相位成等差数列的信号。
2.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，还包括设于所述基板上并与所述第一输入端口连接的微带线，所述微带线还通过跳线与所述第二电桥的第二输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述跳线与所述微带线和第二电桥分设于所述基板相对的两个端面，并且当所述跳线为同轴传输线时，其两端的内导体穿过所述基板上的过孔与所述微带线和第二电桥的第二输入端连接；当所述跳线为共面波导线时，其两端的内导体穿过所述基板上的过孔或者利用金属针与所述微带线和第二电桥的第二输入端连接。
4.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述第一、第二、第三电桥均为微带线、带状线或波导结构中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述第一、第二、第三电桥为分支线定向耦合器或耦合线定向耦合器。
6.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，以所述第五固定移相器为移相器的基准线，所述第一、第二、第三固定移相器均为180°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°；所述第四固定移相器为90°固定角度移相器，用于将输入其中的信号的传输相位延迟180°。
7.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四、第五固定移相器均设有用于调节相位的开路枝节。
8.根据权利要求1所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述第一、第二、第三电桥的第一输出端和第一输入端同侧，所述第一、第二、第三电桥的第二输出端和第二输入端同侧。
9.根据权利要求8所述的3×3Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述第一、第三电桥各自的两个输出端的信号功率为其信号输入端的信号功率的一半，与信号输入端异侧的输出端的信号相位滞后于信号输入端同侧的输出端90°；所述第二电桥两个输出端的信号功率比为1:2，并且与信号输入端异侧的输出端的信号功率为输入信号的1/3,与信号输入端同侧的输出端的信号功率为输入信号的2/3。
10.一种天线，包括权利要求1-9中任意一项所述的3×3Butler矩阵馈电网络。
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