KR20140114644A - 광대역 버틀러 매트릭스 장치 - Google Patents

광대역 버틀러 매트릭스 장치 Download PDF

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KR20140114644A
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김종면
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Abstract

종래의 버틀러 매트릭스 장치는 각 출력 단자들이 갖는 고유의 상대적인 위상차 특성이 동작 주파수 대역 내에서 균일하지 않다는 단점이 있다. 이로 인해, 다중 빔 형성 안테나 장치에 활용시 동작 주파수에 따라 전기적인 특성이 열화되는 문제가 있다. 본 발명에서는 종래의 문제점을 극복하기 위해 광대역 특성을 갖는 위상 천이기 구조를 사용한 광대역 버틀러 매트릭스 장치(broadband butler matrix device)를 제안하고자 한다. 구체적으로, 본 발명은 버틀러 매트릭스의 각 출력 단자들이 갖는 고유의 상대적인 위상차를 40% 이상의 광대역에서 동일하게 유지하고자 한다.

Description

광대역 버틀러 매트릭스 장치{BROADBAND BUTLER MATRIX DEVICE}
본 발명은 광대역 버틀러 매트릭스 장치(broadband butler matrix device)에 관한 것으로, 특히 다중 빔 형성 안테나에 주로 사용되는 초고주파 부품인 버틀러 매트릭스의 광대역 구현 기술에 관한 것이다.
무선통신 서비스의 다양화로 인해 무선 주파수 자원에 대한 수요가 급격히 증대되고 있으며, 고속 데이터 서비스의 광대역화에 따른 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신 기술이 필수적으로 요구되고 있다.
MIMO 통신 기술은 다중 안테나를 이용하여 서로 독립적인 다중 채널 전송을 수행함으로써 통신 용량을 높이는 기술이며, 고속 데이터 전송을 위한 광대역 MIMO 안테나용 지향성 특성 및 고격리 특성의 다중 채널을 형성할 필요가 있다.
이를 위해 광대역 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 및 광대역 배열 안테나(Array antenna)를 이용한 다중 빔 형성 안테나 기술이 주목받고 있으나, 종래의 버틀러 매트릭스 장치는 각 출력 단자들이 갖는 고유의 상대적인 위상차 특성이 동작 주파수 대역 내에서 균일하지 않다는 단점이 있다.
이로 인해, 다중 빔 형성 안테나 장치에 활용시 동작 주파수에 따라 전기적인 특성이 열화되는 문제가 있다.
한국공개특허 2012-0048954호, 버틀러 매트릭스 및 이를 구비한 다중단자 증폭기, 2012.05.16 공개
본 발명에서는 종래의 문제점을 극복하기 위해 광대역 특성을 갖는 위상 천이기 구조를 사용한 광대역 버틀러 매트릭스 장치(broadband butler matrix device)를 제안하고자 한다.
구체적으로, 본 발명은 버틀러 매트릭스의 각 출력 단자들이 갖는 고유의 상대적인 위상차를 40% 이상의 광대역에서 동일하게 유지하고자 함에 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일측에 입력 단자를 구비하며, 상기 입력 단자를 통해 입력되는 입력 신호가 90°의 위상 차이로 분기되어 출력되는 90° 브랜치라인 하이브리드 결합기와, 45° 전기적 길이를 갖는 개방 및 단락 스터브를 이용하여 상기 90° 브랜치라인 하이브리드 결합기를 통해 출력되는 입력 신호의 위상을 변화시키는 45° 광대역 위상 천이기를 포함하는 광대역 버틀러 매트릭스 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 기준으로 사용되는 0° 광대역 위상 천이기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 0° 광대역 위상 천이기는, 1개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 각각 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 45° 광대역 위상 천이기는, 180° 전기적 길이를 갖는 주 선로와, 45° 전기적 길이를 갖는 스터브 선로를 포함하며, 상기 주 선로 및 스터브 선로의 각각의 특성 임피던스들을 조정하여 위상 기울기를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 45° 광대역 위상 천이기는, 3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 상기 0° 광대역 위상 천이기의 출력 위상 특성을 기준으로 하는 22.5° 광대역 위상 천이기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 22.5° 광대역 위상 천이기는, 3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 상기 0° 광대역 위상 천이기의 출력 위상 특성을 기준으로 하는 67.5° 광대역 위상 천이기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 67.5° 광대역 위상 천이기는, 3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 상기 입력 단자 및 출력 단자 간에 동작 대역 내에서 상호 격리 특성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 4개의 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기를 갖는 4×4 버틀러 매트릭스를 가질 수 있다.
또한, 상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 12개의 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기를 갖는 8×8 버틀러 매트릭스를 가질 수 있다.
본 발명에서 제안하는 광대역 버틀러 매트릭스 장치는, 광대역 다중 빔을 형성하기 위한 안테나 장치에 직접 활용될 수 있으며, 또한 미래 고속 무선 통신 데이터 전송에 적합한 광대역 다중 빔 채널 형성을 갖는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나 기술에 널리 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 버틀러 매트릭스 장치, 예컨대 4X4 광대역 버틀러 매트릭스 장치의 구성도,
도 2는 도 1의 광대역 버틀러 매트릭스 장치에서 90o 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기에 대한 상세 구성도,
도 3은 도 1의 광대역 버틀러 매트릭스 장치에서 45o 광대역 위상 천이기에 대한 상세 구성도,
도 4는 도 1의 광대역 버틀러 매트릭스 장치에서 0o 광대역 위상 천이기에 대한 상세 구성도,
도 5 내지 도 10은 도 1의 4×4 광대역 버틀러 매트릭스 장치의 전기적인 특성을 시뮬레이션 처리한 그래프,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 버틀러 매트릭스 장치, 예컨대 8×8 광대역 버틀러 매트릭스 장치의 구성도,
도 12는 도 11의 광대역 버틀러 매트릭스 장치에서 67.5o 광대역 위상 천이기에 대한 상세 구성도,
도 13은 도 11의 광대역 버틀러 매트릭스 장치에서 22.5o 광대역 위상 천이기에 대한 상세 구성도,
도 14 내지 도 21은 도 11의 8×8 광대역 버틀러 매트릭스 장치의 전기적인 특성을 시뮬레이션 처리한 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 버틀러 매트릭스 장치, 예컨대 4×4 광대역 버틀러 매트릭스 장치의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광대역 버틀러 매트릭스 장치(100)의 입력 및 출력 단자 수는 M 개(M=4, 8, 16 등)로 동일하며, 각 입력 단자들 간에 동작 대역 내에서 서로 격리 특성을 가지며, 또한 각 출력 단자들간에도 동작 대역 내에서 서로 격리 특성을 갖는다.
각각의 입력 단자로 입력된 신호는 서로 독립적인 내부 회로 경로를 거쳐 각 출력 단자들로 동일한 전력(1/M)으로 분배된다. 이때, 각 출력 신호들의 출력 위상은 각 입력 단자의 여기(excitation) 위치에 따라 서로 다른 고유의 선형적인 위상 특성들을 갖는다.
도 1의 4×4 광대역 버틀러 매트릭스 장치(100)는 내부적으로 4개의 90o 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기(102/1~102/4), 2개의 45o 광대역 위상 천이기(104/1, 104/2), 2개의 0o 기준 광대역 위상 천이기(106/1, 106/2), 그리고 2개의 RF 크로스오버(108/1, 108/2)를 포함할 수 있다.
여기서, RF 크로스오버(108/1, 108/2)는 2개의 RF 신호가 전기적 특성 열화 없이, 그리고 서로 독립적으로 상호 결합 없이 교차되는 것을 의미할 수 있다.
각각의 90o 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기(102/1~102/4)는 도 2에 도시한 바와 같이, 각각 7개의 전송 선로들(TL1~TL3)을 포함할 수 있다.
다만, 도 2는 설명의 편의를 위해 예시한 것일 뿐, 필요에 따라 전송 선로의 개수는 가변적일 수 있다. 예를 들어, 동작 대역을 보다 확장하기 위해 전송 선로의 개수를 더 늘일 수 있으며, 이러한 사실은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
일 실시 예로, 각 전송 선로들의 전기적인 설계 변수는 Z1=105.55Ω, θ1=90o(TL1), Z2=41.67Ω, θ2=90o(TL2), Z3=34.87Ω, θ3=90o(TL3) 등과 같다.
도 2에 도시한 바와 같이, 90o 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기(102)는 4 개의 입출력 단자(P1, P2, P3, P4)들을 가지며, 40% 이상 광대역에서 동작한다. 예를 들어, P1 단자로 입력된 신호는 동일한 크기(1/2)로 P2 및 P3 출력 단자로 분배되며, P2 및 P3 출력 단자간의 상대적 위상차는 90o이다.
2개의 45o 광대역 위상 천이기(104/1, 104/2) 각각은 도 3에 도시한 바와 같이, 7개의 전송 선로들(TL4~TL6)을 포함할 수 있다.
이 중에서 3개는 주 선로에, 그리고 나머지 4개는 개방 및 단락 스터브(stub)로 구성될 수 있다. 일 실시 예로, 각 전송 선로들의 전기적인 설계 변수는 Z4=50.00Ω, θ4=22.5o(TL4), Z5=71.35Ω, θ5=180o(TL5), Z6=83.7Ω, θ6=45o(TL6)과 같다.
또한, 2개의 0o 광대역 위상 천이기(106/1, 106/2)는 도 4에 도시한 바와 같이, 5개의 전송 선로들(TL7, TL8)을 포함할 수 있다.
이 중에서 1개는 주 선로에 그리고 나머지 4개는 개방 및 단락 스터브로 구성될 수 있다. 일 실시 예로, 각 전송 선로들의 전기적인 설계 변수는 Z7=61.90Ω, θ7=180o(TL7), Z8=125.56Ω, θ8=45o(TL8)과 같다.
0o 광대역 위상 천이기(106)의 출력 위상 특성이 4×4 광대역 버틀러 매트릭스(100)에 사용되는 모든 위상 천이기의 기준이 된다. 즉, 45o 광대역 위상 천이기(104)의 출력 위상 특성은 0o 광대역 위상 천이기(106)의 기준 위상 특성 대비 40% 이상 광대역에서 45o 만큼 균일하게 지연될 수 있다.
다음 [표 1]은 4×4 광대역 버틀러 매트릭스의 입출력 진폭/위상 관계를 나타내고 있다.
출력단자

입력단자		 O1
진폭/위상		 O2
진폭/위상		 O3
진폭/위상		 O4
진폭/위상
I1 0.25/0o 0.25/-45o 0.25/-90o 0.25/-135o
I2 0.25/0o 0.25/135o 0.25/270o 0.25/45o
I3 0.25/0o 0.25/-135o 0.25/-270o 0.25/-45o
I4 0.25/0o 0.25/45o 0.25/90o 0.25/135o
[표 1]에서 알 수 있듯이, 각 입력 단자(I1~I4)에 입력된 신호는 모두 동일한 전력(0.25)으로 분배되며, 각 출력 신호들의 출력 위상은 각 입력 단자에 따라 ±45o 또는 ±135o의 위상 지연(lag) 또는 선행(lead)하는 위상 간격(phase step) 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 4×4 광대역 버틀러 매트릭스 구조에 대하여 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 입력 단자1(I1)과 입력 단자3(I3)에 신호를 인가하였을 경우에 대한 각 출력 단자에서의 전기적인 특성들이 나타내고 있다.
도 5 및 도 6에 나타난 입출력 반사 손실(return loss) 특성(VSWR 1.5:1 기준) 및 단자간 격리 특성(20 dB 이상) 결과와, 도 7 및 도 8에 나타난 삽입 손실(insertion loss)(±0.5 dB 이하, 분배 손실 제외) 특성 결과는 정규화한 중심 주파수(f=1 GHz)를 중심으로 30% 이상에서 동작한다.
또한, 도 9 및 도 10에 제시된 위상(phase) 특성(오차 ±2o 이하) 결과는 입력 단자1(I1)로 입사한 경우에는 45o 위상 지연 특성을, 그리고 입력 단자3(I3)으로 입사한 경우에는 135o 위상 지연 특성을 보이며, 정규화한 중심 주파수(f=1GHz)를 중심으로 기준 위상 특성 대비 40% 이상 광대역에서 균일한 위상 특성을 보임을 알 수 있다.
여기서, 제1위상(PHA1)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준이며, 제2위상(PHA2)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자2(O2)의 위상 특성, 제3위상(PHA3)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자3(O3)의 위상 특성을, 그리고 제4위상(PHA4)는 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자4(O4)의 위상 특성을 각각 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 버틀러 매트릭스 장치, 예컨대 8×8 광대역 버틀러 매트릭스 장치에 대한 구성을 도시한 것이다.
도 11의 8×8 광대역 버틀러 매트릭스 장치(200)는, 내부적으로 12개의 90o 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기(202/1~202/12), 4개의 45o 광대역 위상 천이기(204/1~204/4), 8개의 0o 기준 광대역 위상 천이기(206/1~206/8), 2개의 67.5o 광대역 위상 천이기(210/1~210/2), 2개의 22.5o 광대역 위상 천이기(212/1~212/2), 그리고 16개의 RF 크로스오버(208/1~208/16)로 구성된다.
여기서, RF 크로스오버(208/1~208/16)는 2개의 RF 신호가 전기적 특성 열화 없이 그리고 서로 독립적으로 상호 결합 없이 교차되는 것을 의미할 수 있다.
8×8 광대역 버틀러 매트릭스를 구성하는 90o 광대역 브랜지라인 하이브리드 결합기(202/1~202/12), 45o 광대역 위상 천이기(204/1~204/4), 0o 기준 광대역 위상 천이기(206/1~206/8) 등의 구조에 대한 내용 설명은 도 1의 4×4 광대역 버틀러 매트릭스에 기술한 내용과 동일하므로 도 11의 실시예에서는 그 설명을 생략하기로 한다.
2개의 67.5o 광대역 위상 천이기(210/1~210/2)는 도 12에 도시한 바와 같으며, 7개의 전송 선로들(TL9~TL11)로 이루어질 수 있다.
이들 전송 선로들(TL9~TL11) 중에서 3개는 주 선로에, 그리고 나머지 4개는 개방 및 단락 스터브로 구성될 수 있다. 예컨대, 각 전송 선로들의 전기적인 설계 변수는 Z9=50.00Ω, θ9=33.75o(TL9), Z10=57.18Ω, θ10=180o(TL10), Z11=167.41Ω, θ11=45o(TL11)과 같다.
2개의 22.5o 광대역 위상 천이기(212/1~212/2)는 도 13에 도시한 바와 같으며, 7 개의 전송 선로들(TL12~TL14)로 이루어질 수 있다.
이들 전송 선로들(TL12~TL14)에서 3개는 주 선로에, 그리고 나머지 4개는 개방 및 단락 스터브로 구성될 수 있다. 예컨대, 각 전송 선로들의 전기적인 설계 변수는 Z12=50.00Ω, θ12=11.25o(TL12), Z13=66.63Ω, θ13=180o(TL13), Z14=100.44Ω, θ14=45o(TL14)과 같다.
다음 [표 2]는 이러한 8×8 광대역 버틀러 매트릭스의 입출력 진폭/위상 관계를 보여주고 있다.
Figure pat00001
[표 2]에서 알 수 있듯이, 각 입력 단자에 입력된 신호는 모두 동일한 전력(0.125)으로 분배되며, 각 출력 신호들의 출력 위상은 각 입력 단자에 따라 ±22.5o, ±67.5o, ±112.5o 그리고 ±157.5o의 위상 지연(lag) 또는 선행(lead)하는 위상 간격(phase step) 특성을 가질 수 있다.
한편, 도 14 내지 도 21은 도 11의 8×8 광대역 버틀러 매트릭스의 전기적인 특성을 시뮬레이션한 결과을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 14 및 도 15는 입출력 반사 손실 특성(VSWR 1.5:1 기준) 및 단자간 격리 특성 결과를 예시한 그래프이며, 도 16 및 도 17은 삽입 손실(insertion loss)(±1 dB 이하, 분배 손실 제외) 특성 결과를 예시한 그래프이다. 이들 특성 결과는 정규화한 중심 주파수(f=1GHz)를 중심으로 30% 이상에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 17 내지 도 21은 위상 특성(오차 ±2o 이하) 결과를 예시한 그래프로서, 입력 단자1(I1)로 입사한 경우에는 22.5o 위상 지연 특성을, 입력 단자3(I3)으로 입사한 경우에는 112.5o 위상 지연 특성을, 입력 단자5(I5)로 입사한 경우에는 67.5o 위상 지연 특성을, 그리고 입력 단자7(I7)로 입사한 경우에는 157.5o 위상 지연 특성을 각각 보이고 있으며, 정규화한 중심 주파수(f=1 GHz)를 중심으로 기준 위상 특성 대비 30% 이상 광대역에서 균일한 위상 특성을 보임을 알 수 있다.
여기서, 제1위상(PHA1)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준이며, 제2위상(PHA2)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자2(O2)의 위상 특성을, 제3위상(PHA3)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자3(O3)의 위상 특성을, 제4위상(PHA4)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자4(O4)의 위상 특성을, 제5위상(PHA5)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자5(O5)의 위상 특성을, 제6위상(PHA6)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자6(O6)의 위상 특성을, 제7위상(PHA7)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자7(O7)의 위상 특성을, 제8위상(PHA8)은 출력 단자1(O1)의 위상 기준 대비 출력 단자8(O8)의 위상 특성을 각각 나타낸다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 광대역 90o 브랜치라인 하이브리드 결합기 구조와 45o 전기적 길이를 갖는 개방 및 단락 스터브를 이용한 광대역 위상 천이기 구조를 사용하여 광대역 버틀러 매트릭스 장치를 구현함으로써, 버틀러 매트릭스의 각 출력 단자들이 갖는 고유의 상대적인 위상차를 40% 이상의 광대역에서 동일하게 유지하고자 구현한 것이다.
100, 200: 광대역 버틀러 매트릭스 장치
102, 202: 90° 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기
104, 204: 45° 광대역 위상 천이기
106, 206: 0° 기준 광대역 위상 천이기
108, 208: RF 크로스오버
210: 67.5° 광대역 위상 천이기
212: 22.5° 광대역 위상 천이기

Claims (12)

  1. 일측에 입력 단자를 구비하며, 상기 입력 단자를 통해 입력되는 입력 신호가 90°의 위상 차이로 분기되어 출력되는 90° 브랜치라인 하이브리드 결합기와,
    45° 전기적 길이를 갖는 개방 및 단락 스터브를 이용하여 상기 90° 브랜치라인 하이브리드 결합기를 통해 출력되는 입력 신호의 위상을 변화시키는 45° 광대역 위상 천이기를 포함하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    기준으로 사용되는 0° 광대역 위상 천이기를 더 포함하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 0° 광대역 위상 천이기는,
    1개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 각각 구성되는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 45° 광대역 위상 천이기는,
    180° 전기적 길이를 갖는 주 선로와,
    45° 전기적 길이를 갖는 스터브 선로를 포함하며,
    상기 주 선로 및 스터브 선로의 각각의 특성 임피던스들을 조정하여 위상 기울기를 제어하는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 45° 광대역 위상 천이기는,
    3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 각각 구성되는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    상기 0° 광대역 위상 천이기의 출력 위상 특성을 기준으로 하는 22.5° 광대역 위상 천이기를 더 포함하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 22.5° 광대역 위상 천이기는,
    3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 구성되는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    상기 0° 광대역 위상 천이기의 출력 위상 특성을 기준으로 하는 67.5° 광대역 위상 천이기를 더 포함하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 67.5° 광대역 위상 천이기는,
    3개의 주 선로와 4개의 스터브 선로로 구성되는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    상기 입력 단자 및 출력 단자 간에 동작 대역 내에서 상호 격리 특성을 갖는 것을 특징으로 하는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    4개의 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기를 갖는 4×4 버틀러 매트릭스를 갖는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광대역 버틀러 매트릭스 장치는,
    12개의 광대역 브랜치라인 하이브리드 결합기를 갖는 8×8 버틀러 매트릭스를 갖는
    광대역 버틀러 매트릭스 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102027536B1 (ko) 2018-03-29 2019-10-01 (주)파트론 위상 배열 안테나 시스템

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150079039A (ko) * 2013-12-31 2015-07-08 한국전자통신연구원 공전 각운동량 모드들을 동시에 송신 및 수신하는 장치 및 방법
CN106785454B (zh) * 2016-11-30 2020-12-29 中山大学 基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵及设计方法
CN107453046B (zh) * 2017-07-26 2020-02-14 大连海事大学 输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络
JP6875539B2 (ja) * 2017-09-28 2021-05-26 株式会社日立国際電気 ビームフォーミングアンテナ
JP7078644B2 (ja) * 2017-12-11 2022-05-31 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 バトラーマトリクス回路、フェーズドアレイアンテナ、フロントエンドモジュール及び無線通信端末
IT201800006163A1 (it) * 2018-06-08 2019-12-08 Rete di ripartizione a radiofrequenza riconfigurabile
CN109167172A (zh) * 2018-07-20 2019-01-08 电子科技大学 一种基于微带结构的宽带Butler矩阵
CN109888507B (zh) * 2018-12-22 2023-12-01 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种紧凑型16×16 Butler矩阵多波束馈电网络
JP2021052294A (ja) * 2019-09-25 2021-04-01 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 アンテナ装置
CN113097721B (zh) * 2021-03-30 2022-03-29 华南理工大学 一种相位差频变的宽带巴特勒矩阵馈电网络
CN114094350B (zh) * 2021-11-08 2023-02-24 北京邮电大学 微波毫米波槽间隙波导多端口馈电多波束天线阵列
CN117639866A (zh) * 2022-08-19 2024-03-01 华为技术有限公司 移相矩阵电路、波束赋形电路、移相方法、设备及系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5373299A (en) * 1993-05-21 1994-12-13 Trw Inc. Low-profile wideband mode forming network
US6965279B2 (en) * 2003-07-18 2005-11-15 Ems Technologies, Inc. Double-sided, edge-mounted stripline signal processing modules and modular network

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102027536B1 (ko) 2018-03-29 2019-10-01 (주)파트론 위상 배열 안테나 시스템

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