TWI835251B

TWI835251B - 巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法

Info

Publication number: TWI835251B
Application number: TW111131317A
Authority: TW
Inventors: 王永和; 楊哲源
Original assignee: 國立成功大學
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-03-11

Abstract

本發明提供一種巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法，其以第一開關電路、第二開關電路、第一耦合器及第二耦合器構成，其分別於輸入訊號後設有第一開關電路，並以第一耦合器形成相位差，且，於輸出訊號前設有第二開關電路，並以第二耦合器形成相位差，而可解決傳統巴特勒矩陣電路複雜及元件組成體積過大的問題。

Description

巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法

一種應用於天線裝置之電路，特別是涉及一種巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法。

巴特勒矩陣(Butler Matrix)為一種波束成形網路，其主要應用於回饋天線裝置的相列陣位，為此，巴特勒矩陣目的為控制無線電傳輸一個或多個波束方向，其以3dB的90度相移岔路功率分配器、固定相移器及陣列天線構成，可具有N個輸入端及N個輸出端，且，連接N個天線裝置，使其輸出端形成相位差，以便無線電傳輸的波束於所需的方向上。

由於巴特勒矩陣形成的波束成形網路，其具有結構簡單及成本低廉，因此被廣泛應用於通訊雷達相關技術領域中，習知巴特勒矩陣，通常於前級加上開關元件，例如一個輸入四個輸出的開關，使得輸入訊號分別四個輸出訊號，並透過相位轉換器實現輸出級的相位差，倘若增加其輸出數量，將使得整體結構更加複雜，且，將導致其整體結構體積過大，而將因複雜度及體積受限於應用面上。

為此，本發明提供一種巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法，以簡易的開關電路構成，改善習知巴特勒矩陣電路複雜及結構體積過大之問題。

本發明之主要目的，係提供一種巴特勒矩陣電路，其以開關電路及耦合器構成，其分別於輸入訊號後設有第一開關電路，且，於輸出訊號前亦設有第二開關電路，並以耦合器形成相位差，而可取代傳統巴特勒矩陣電路，以改善電路複雜之問題。

本發明之另一目的，係提供一種訊號相位變換方法，將輸入訊號分別以第一開關電路結合第一耦合器，以及第二開關電路結合第二耦合器進行相位變換，即可實現相位變換。

為了達到上述之目的，本發明之一實施例係揭示一種巴特勒矩陣電路，包含: 一接收訊號元件，接收一輸入訊號；一第一開關電路，包含一第一輸入端及一第一輸出端，該第一輸入端與該接收訊號元件訊號連接，且，該第一輸入端設置於該第一開關電路之一側，該第一輸出端設置於該第一開關電路之另一側，該第一開關電路經該第一輸入端接收並依據該輸入訊號，生成一第一輸出資訊，並以該第一輸出端輸出該第一輸出資訊；一第一耦合器，與該第一輸出端電性連接，該第一耦合器接收並依據該第一輸出資訊進行相位變換，使得該第一輸出資訊具有一相位差；一第二開關電路，電性連接一輸入電源，包含一第二輸入端及一第二輸出端，該輸入電源驅動該第二開關電路開啟或關閉，該第二輸入端設置於該第二開關電路之一側，且，該第二輸出端設置於該第二開關電路之另一側，該第二開關電路經該第二輸入端接收並依據該第一輸出資訊，生成一第二輸出資訊，並以該第二輸出端輸出該第二輸出資訊；及一第二耦合器，與該第二輸出端電性連接，該第二耦合器接收並依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊具有該相位差。

於較佳實施例中，該第一輸出資訊包含一第一輸出訊號組及一第二輸出訊號組，該第一耦合器接收並依據該第一輸出訊號組與第二輸出訊號組進行相位變換，使得該第一輸出訊號組與第二輸出訊號組之間具有該相位差。

於較佳實施例中，該第二輸出資訊包含一第三輸出訊號組及一第四輸出訊號組，該第二耦合器接收並依據該第三輸出訊號組與第四輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組與第四輸出訊號組之間具有該相位差。

於較佳實施例中，該第二開關電路包含一第一開關元件及一第二開關元件，該輸入電源驅動該第一開關元件及該第二開關元件，使得該第一開關元件及該第二開關元件為同步，且，該第一開關元件接收並依據該第一輸出訊號組，生成該第三輸出訊號組，並以該第二輸出端輸出該第三輸出訊號組，該第二開關元件接收並依據該第二輸出訊號組，生成該第四輸出訊號組，並以該第二輸出端輸出該第四輸出訊號組。

於較佳實施例中，該第二耦合器包含一第一耦合元件及一第二耦合元件，該第一耦合元件與該第一開關元件電性連接，及該第二耦合元件與該第二開關元件電性連接，該第一耦合元件依據該第三輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組具有該相位差，該第二耦合元件依據該第四輸出訊號組進行相位變換，使得該第四輸出訊號組具有該相位差。

於較佳實施例中，該第三輸出訊號組包含一第一輸出訊號及一第二輸出訊號，該第一耦合元件依據該第一輸出訊號及該第二輸出訊號進行相位變換，使得該第一輸出訊號與該第二輸出訊號之間具有該相位差。

於較佳實施例中，該第四輸出訊號組包含一第三輸出訊號及一第四輸出訊號，該第二耦合元件依據該第三輸出訊號及該第四輸出訊號進行相位變換，使得該第三輸出訊號與該第四輸出訊號之間具有該相位差。

為了達到上述之目的，本發明之一實施例係揭示一種訊號相位變換方法，包含步驟: 以一接收訊號元件接收並傳輸一輸入訊號至一第一開關電路；該第一開關電路依據該輸入訊號，生成並傳輸一第一輸出資訊至一第一耦合器；該第一耦合器依據該第一輸出資訊進行相位變換，使得該第一輸出資訊產生一相位差，並傳輸該第一輸出資訊至一第二開關電路；該第二開關電路依據該第一輸出資訊，生成並傳輸一第二輸出資訊至一第二耦合器；及該第二耦合器依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊產生該相位差，並輸出該第二輸出資訊。

於較佳實施例中，於該第二開關電路依據該第一輸出資訊，生成並傳輸一第二輸出資訊至一第二耦合器之步驟中，該第二開關電路之一第一開關元件接收並依據該第一輸出資訊之一第一輸出訊號組，生成並輸出該第二輸出資訊之一第三輸出訊號組，及該第二開關電路之一第二開關元件接收並依據該第一輸出資訊之一第二輸出訊號組，生成並輸出該第二輸出資訊之一第四輸出訊號組，且，該第一開關元件及該第二開關元件為同步。

於較佳實施例中，該第二耦合器依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊產生該相位差，並輸出該第二輸出資訊之步驟中，該第二耦合器之一第一耦合元件接收並依據該第三輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組之一第一輸出訊號及一第二輸出訊號之間具有相位差，及該第二耦合器之一第二耦合元件接收並依據第四輸出訊號組進行相位變換，使得第四輸出訊號組之一第三輸出訊號及一第四輸出訊號之間具有該相位差。

本發明之有益功效在於提供簡易的開關電路構成巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法，而可大幅降低傳統電路複雜及結構體積過大之問題。

為讓本發明上述及/或其他目的、功效、特徵更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，作詳細說明於下：

請參閱第一A圖及第二圖，其為本發明之一實施例之電路方塊圖及電路示意圖。如圖所示，本發明之巴特勒矩陣電路，包含: 接收訊號元件1、第一開關電路2、第一耦合器3、第二開關電路4及第二耦合器5，並詳細說明如下:

接收訊號元件1係用以接收輸入訊號Is，於本實施例中，接收訊號元件1為天線裝置，但不在此限。

請一併參閱第一B圖，其為本發明之一實施例之第一開關電路方塊圖。如圖所示，第一開關電路2包含第一輸入端21及第一輸出端22，第一輸入端21與接收訊號元件1訊號連接，於本實施例中，第一輸入端21係設置於第一開關電路2之一側，且，第一輸出端22係設置於第一開關電路2之另一側，而第一輸入端21之輸入端數量可為一個或多個，依據需求進行設置，同樣的第一輸出端22之輸出端數量可為兩個或多個，但不在此限。

第一開關電路2係經第一輸入端21接收輸入訊號Is後，將依據輸入訊號Is產生第一輸出資訊A，並以第一輸出端22輸出第一輸出資訊A，於本實施例中，以第一開關電路2為一個開關元件為例，其中，開關元件之輸入端數量為1，且，輸出端數量為2，此時，第一輸出資訊A包含第一輸出訊號組A1及第二輸出訊號組A2，但不在此限。

第一耦合器3與第一輸出端22電性連接，第一耦合器3接收並依據第一輸出資訊A進行相位變換，使得第一輸出資訊A之第一輸出訊號組A1與第二輸出訊號組A2之間具有相位差，此一相位差可依使用者需求進行設計，但不在此限。

請一併參閱第一C圖，其為本發明之一實施例之第二開關電路方塊圖。如圖所示，第二開關電路4電性連接輸入電源V，且，包含第二輸入端41及第二輸出端42，其以輸入電源V驅動第二開關電路4開啟或關閉，第二輸入端41係設置於第二開關電路4之一側，且，第二輸入端41與第一耦合器3電性連接，而第二輸出端42設置於第二開關電路4之另一側。

於本實施例中，第二輸入端41之輸入端數量為第一輸出端22之輸出端數量，而第二輸出端42之輸出端數量則大於第二輸入端41之輸入端數量，故假設第二開關電路4為兩個開關元件，其中，開關元件之輸入端數量為1，且，輸出端數量為2，即第二開關電路4更包含第一開關元件Sw1及第二開關元件Sw2，且各有一個輸入端及兩個輸出端，同時，第一開關元件Sw1及第二開關元件Sw2皆會連接輸入電源，並以此輸入電源控制開關元件的開啟或關閉，因此第一開關元件Sw1及第二開關元件Sw2為同步，即同時開啟或同時關閉，但不在此限。

第二開關電路4經第二輸入端41接收第一輸出資訊A，而可使得第二輸入端依據第一輸出資訊A產生第二輸出資訊B，並以第二輸出端42輸出第二輸出資訊B，於本實施例中，第二輸出資訊B包含第三輸出訊號組B1及第四輸出訊號組B2，因此第一開關元件Sw1將接收並依據第一輸出訊號組A1，產生第三輸出訊號組B1，同時，第二開關元件Sw2將接收並依據第二輸出訊號組A2，產生第四輸出訊號組B2，但不在此限。

請一併參閱第一D圖，其為本發明之一實施例之第二耦合器方塊圖。如圖所示，第二耦合器5與第二輸出端42電性連接，用以接收並依據第二輸出資訊B進行相位變化，於本實施例中，第二耦合器5更包含第一耦合元件51及第二耦合元件52，故第一耦合元件51係接收第三輸出訊號組B1，及第二耦合元件52係接收第四輸出訊號組B2，但不在此限。

其中，第三輸出訊號組B1包含第一輸出訊號B11及第二輸出訊號B12，故第一輸出訊號B11與第二輸出訊號B12經第一耦合元件51進行相位變換後，使得第一輸出訊號B11與第二輸出訊號B12之間具有相位差，同時，第四輸出訊號組B2包含第三輸出訊號B21及第四輸出訊號B22，故第三輸出訊號B21與第四輸出訊號B22經第二耦合元件52進行相位變換後，第三輸出訊號B21與第四輸出訊號B22之間具有相位差，此一相位差可依使用者需求進行設計，於最佳實施例中，相位差可為45度，但不在此限，且，第二輸出訊號B12與第三輸出訊號B21之間亦具有相同的相位差。

為更清楚本發明作動流程，請參閱第三圖，其為本發明之一實施例之方法流程圖。如圖所示，詳細說明如下:

步驟S1: 以一接收訊號元件接收並傳輸一輸入訊號至一第一開關電路；

步驟S2: 該第一開關電路依據該輸入訊號，生成並傳輸一第一輸出資訊至一第一耦合器；

步驟S3: 該第一耦合器依據該第一輸出資訊進行相位變換，使得該第一輸出資訊產生一相位差，並傳輸該第一輸出資訊至一第二開關電路；

步驟S4: 該第二開關電路依據該第一輸出資訊，生成並傳輸一第二輸出資訊至一第二耦合器；及

步驟S5: 該第二耦合器依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊產生該相位差，並輸出該第二輸出資訊。

如步驟S1所示，以接收訊號元件1接收輸入訊號後Is，將輸入訊號後Is傳輸至第一開關電路2。

如步驟S2所示，第一開關電路2將接收並依據輸入訊號後Is，產生第一輸出資訊A，並傳輸至第一耦合器3，並接續如步驟S3，第一輸出資訊A經第一耦合器3進行相位變換，此時，第一輸出資訊A產生相位差後，將第一輸出資訊A傳輸至第二開關電路4。

如步驟S4所示，第二開關電路4接收並依據第一輸出資訊A，生成第二輸出資訊B，於本實施例中，以前述電路舉例來說，第二開關電路4之第一開關元件Sw1接收第一輸出資訊A之第一輸出訊號組A1，生成第二輸出資訊B之第三輸出訊號組B1，同時，第二開關電路4之第二開關元件Sw2接收第一輸出資訊A之第二輸出訊號組A2，生成第二輸出資訊B之第四輸出訊號組B2，並分別將第三輸出訊號組B1與第四輸出訊號組B2傳輸至第二耦合器5，但不在此限。

如步驟S5所示，第二耦合器5將依據第二輸出資訊B進行相位變換，於本實施例中，第二耦合器5之第一耦合元件51接收並依據第三輸出訊號組B1進行相位變換，使得第三輸出訊號組B1之第一輸出訊號B11及第二輸出訊號B12之間具有相位差，同時，第二耦合器5之第二耦合元件52接收並依據第四輸出訊號組B2進行相位變換，使得第三輸出訊號組B1之第三輸出訊號B21及第四輸出訊號B22之間具有相位差，如此一來，可實現將一個輸入訊號分為四個輸出訊號輸出，但不在此限。

此一設計對比傳統巴特勒矩陣電路通常於前級加上一個開關元件，其開關元件可採用輸入端數量為1，且，輸出端數量為4，而可使得1個輸入訊號可被分為4個輸出訊號，並透過相位轉換器實現輸出級的相位差，於本發明之一實施中，則於接收訊號後連接開關電路，此處可採用一個開關元件，其輸入端數量為1，且，輸出端數量為2，並於輸出訊號前亦連接開關電路，此處可採用兩個開關元件，其輸入端數量為1，且，輸出端數量為2，以分層的開關電路取代傳統電路設計，同樣可達到1個輸入訊號被分為4個輸出訊號之結果，同時，大幅降低電路複雜度及縮減電路結構體積。

綜上所述，本發明提供一種巴特勒矩陣電路及其訊號相位變換方法，其以分層的開關電路分別連接耦合器，而分層進行相位變換後輸出，進而達到降低電路複雜度及電路結構體積過大之問題。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，但不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及說明書內容所做之簡單的等效改變與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1 接收訊號元件 2 第一開關電路 21 第一輸入端 22 第一輸出端 3 第一耦合器 4 第二開關電路 41 第二輸入端 42 第二輸出端 5 第二耦合器 51 第一耦合元件 52 第二耦合元件 A 第一輸出資訊 A1 第一輸出訊號組 A2 第二輸出訊號組 B 第二輸出資訊 B1 第三輸出訊號組 B11 第一輸出訊號 B12 第二輸出訊號 B2 第四輸出訊號組 B21 第三輸出訊號 B22 第四輸出訊號 Is 輸入訊號 Sw1 第一開關元件 Sw2 第二開關元件 V 輸入電源

第一A圖: 其為本發明之一實施例之電路方塊圖；第一B圖: 其為本發明之一實施例之第一開關電路方塊圖；第一C圖: 其為本發明之一實施例之第二開關電路方塊圖；第一D圖: 其為本發明之一實施例之第二耦合器方塊圖；第二圖: 其為本發明之一實施例之電路示意圖；及第三圖: 其為本發明之一實施例之方法流程圖。

1 接收訊號元件 2 第一開關電路 3 第一耦合器 4 第二開關電路 5 第二耦合器 Is 輸入訊號 A 第一輸出資訊 B 第二輸出資訊 V 輸入電源

Claims

一種巴特勒矩陣電路，包含：一接收訊號元件，接收一輸入訊號；一第一開關電路，包含一第一輸入端及一第一輸出端，該第一輸入端與該接收訊號元件訊號連接，且，該第一輸入端設置於該第一開關電路之一側，該第一輸出端設置於該第一開關電路之另一側，該第一開關電路經該第一輸入端接收並依據該輸入訊號，生成一第一輸出資訊，並以該第一輸出端輸出該第一輸出資訊；一第一耦合器，與該第一輸出端電性連接，該第一耦合器接收並依據該第一輸出資訊進行相位變換，使得該第一輸出資訊具有一相位差；一第二開關電路，電性連接一輸入電源，包含一第二輸入端及一第二輸出端，該輸入電源驅動該第二開關電路開啟或關閉，該第二輸入端設置於該第二開關電路之一側，且，該第二輸出端設置於該第二開關電路之另一側，該第二開關電路經該第二輸入端接收並依據該第一輸出資訊，生成一第二輸出資訊，並以該第二輸出端輸出該第二輸出資訊，該第二開關電路包含一第一開關元件及一第二開關元件，該輸入電源驅動該第一開關元件及該第二開關元件，使得該第一開關元件及該第二開關元件為同步；及一第二耦合器，與該第二輸出端電性連接，該第二耦合器接收並依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊具有該相位差。
依據請求項1所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第一輸出資訊包含一第一輸出訊號組及一第二輸出訊號組，該第一耦合器接收並依據該第一輸出訊號組與第二輸出訊號組進行相位變換，使得該第一輸出訊號組與第二輸出訊號組之間具有該相位差。
依據請求項1所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第二輸出資訊包含一第三輸出訊號組及一第四輸出訊號組，該第二耦合器接收並依據該第三輸出訊號組與第四輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組與該第四輸出訊號組之間具有該相位差。
依據請求項3所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第一開關元件接收並依據該第一輸出訊號組，生成該第三輸出訊號組，並以該第二輸出端輸出該第三輸出訊號組，該第二開關元件接收並依據該第二輸出訊號組，生成該第四輸出訊號組，並以該第二輸出端輸出該第四輸出訊號組。
依據請求項3所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第二耦合器包含一第一耦合元件及一第二耦合元件，該第一耦合元件與該第一開關元件電性連接，及該第二耦合元件與該第二開關元件電性連接，該第一耦合元件依據該第三輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組具有該相位差，該第二耦合元件依據該第四輸出訊號組進行相位變換，使得該第四輸出訊號組具有該相位差。
依據請求項5所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第三輸出訊號組包含一第一輸出訊號及一第二輸出訊號，該第一耦合元件依據該第一輸出訊號及該第二輸出訊號進行相位變換，使得該第一輸出訊號與該第二輸出訊號之間具有該相位差。
依據請求項5所述之巴特勒矩陣電路，其中，該第四輸出訊號組包含一第三輸出訊號及一第四輸出訊號，該第二耦合元件依據該第三輸出訊號及該第四輸出訊號進行相位變換，使得該第三輸出訊號與該第四輸出訊號之間具有該相位差。
一種訊號相位變換方法，包含步驟：以一接收訊號元件接收並傳輸一輸入訊號至一第一開關電路；該第一開關電路依據該輸入訊號，生成並傳輸一第一輸出資訊至一第一耦合器；該第一耦合器依據該第一輸出資訊進行相位變換，使得該第一輸出資訊產生一相位差，並傳輸該第一輸出資訊至一第二開關電路；該第二開關電路依據該第一輸出資訊，生成並傳輸一第二輸出資訊至一第二耦合器；及該第二耦合器依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊產生該相位差，並輸出該第二輸出資訊；其中，該第二開關電路之一第一開關元件接收並依據該第一輸出資訊之一第一輸出訊號組，生成並輸出該第二輸出資訊之一第三輸出訊號組，及該第二開關電路之一第二開關元件接收並依據該第一輸出資訊之一第二輸出訊號組，生成並輸出該第二輸出資訊之一第四輸出訊號組。
依據請求項8所述之訊號相位變換方法，其中，該第一開關元件及該第二開關元件為同步。
依據請求項8所述之訊號相位變換方法，其中，於該第二耦合器依據該第二輸出資訊進行相位變換，使得該第二輸出資訊產生該相位差，並輸出該第二輸出資訊之步驟中，該第二耦合器之一第一耦合元件接收並依據該第三輸出訊號組進行相位變換，使得該第三輸出訊號組之一第一輸出訊號及一第二輸出訊號之間具有相位差，及該第二耦合器之一第二耦合元件接收並依據該第四輸出訊號組進行相位變換，使得該第四輸出訊號組之一第三輸出訊號及一第四輸出訊號之間具有該相位差。