CN103022700A - 一种新型4×4Butler矩阵馈电网络 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型4×4Butler矩阵馈电网络，属于微波工程领域。该Butler矩阵馈电网络设置在波束形成设备的波束端口和天线阵列的天线端口之间，采用微带电路方式实现，加工在背靠背粘结一起上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上，将三个3分贝90度定向耦合器设置在一个PCB板上，剩余一个设置在另一个PCB板上，通过在PCB板上加工垂直金属过孔代替传统结构中的跨接器，实现两层PCB板间的信号传递。本发明极大地简化了Butler矩阵馈电网络的结构，减小了体积，采用宽带Schiffman移相器配合3分支的分支线定向耦合器展宽了Butler矩阵的带宽，使得馈电网络的相对带宽＞25%。

Description

一种新型4×4Butler矩阵馈电网络

技术领域

本发明属于微波工程领域，涉及一种新型的4×4Butler矩阵馈电网络。

背景技术

Butler矩阵是一种电路类波束成形网络，它同时具备多个输入和输出端口，其相关端口间的相位关系非常奇特，主要用在对波束指向有特殊要求的天线系统中，如第三代移动通信系统的智能天线等。这种馈电矩阵有很清晰的物理意义，在电路上也比较容易实现，因此得到了广泛的研究。

Butler矩阵是一个完全无源和互易的网络，这种馈电矩阵使用了具有90度相移特性的3db定向耦合器和不同相移特性的固定移相器。用于一个N单元线天线阵的Butler矩阵应该具有相应的N个输入端口和N个输出端口，并因此能产生相应的N个波束。其中N为正整数，通常为2的正整数次方。对于Butler矩阵，在其任意一个输入端加上一个信号，在所有输出端得到等幅的信号，各相邻单元间相位差相等。由于Butler矩阵和天线是完全互易的，所以Butler矩阵既可用于发射也可用于接收。

Butler矩阵可以非常容易的通过微带线来实现，但是在一个平面内实现它时却不可避免地要产生导体交叉，即Butler馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用。

Butler矩阵的带宽取决于其采用的90度相移特性的3db定向耦合器和固定移相器的带宽，现有的Butler矩阵的带宽通常在5%-15%之间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的Butler矩阵馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用，而且其带宽一般不超过15%。

为解决上述Butler矩阵馈电网络的问题，本发明提供一种新型4×4Butler矩阵馈电网络，设置在波束形成设备的波束端口和天线阵列的天线端口之间，采用微带电路方式实现，加工在背靠背粘结一起上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上，具有4输入端口和4输出端口。本发明的馈电网络包括两个45°固定移相器、两个垂直金属过孔和四个3分贝90度定向耦合器；四个3分贝90度定向耦合器分为两组，第一组的第一3分贝90度定向耦合器和第二3分贝90度定向耦合器，以及第二组的第三3分贝90度定向耦合器位于上层PCB板上，第二组的第四3分贝90度定向耦合器位于下层PCB板上。第一组3分贝90度定向耦合器一端与天线单元相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口连接，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器。两个45°固定移相器设置在第一组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间。第一个金属过孔用于连接第一3分贝90度定向耦合器和第四3分贝90度定向耦合器，第二个金属过孔用于连接第二3分贝90度定向耦合器，一个45°固定移相器和第四3分贝90度定向耦合器。本发明的馈电网络依靠金属过孔在上下两层PCB板间进行信号传递。

所述的3分贝90度定向耦合器均为3分支的分支线定向耦合器，45°固定移相器为宽带Schiffman移相器。

本发明的优点和积极效果在于：

（一）以简单的金属过孔取代了复杂的跨接器，极大地简化了Butler矩阵馈电网络的结构，而且减小了其体积，增多了其适用场合；

（二）采用3分支的分支线定向耦合器作为Butler矩阵的基本单元，电气性能比2分支的分支线定向耦合器有了很大提高；

（三）采用宽带Schiffman移相器作为移相单元，配合3分支的分支线定向耦合器展宽了Butler矩阵的带宽；

（四）Butler矩阵馈电网络采用微带电路方式实现，可利用印刷电路制作方式进行加工，工艺简单，一致性好，易于加工和大批量生产。

附图说明

图1是现有常规的4×4Butler矩阵馈电网络；

图2是本发明新型的4×4Butler矩阵馈电网络示意图；

图3是垂直金属过孔的结构示意图；

图4是三分支的分支线定向耦合器示意图；

图5是Schiffman差分移相器示意图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。

图1所示的为现有常规的4×4Butler矩阵馈电网络，其所有元器件都在一个平面上。该4×4Butler矩阵馈电网络包括A,B,C,D,E,F,G,H 8个端口，两个45°固定移相器11，4个90度相移特性的3db定向耦合器12，4个90度相移特性的3db定向耦合器12分为两组，下边两个组成第一组3分贝90度定向耦合器，上边两个组成第二组3分贝90度定向耦合器。第一组3分贝90度定向耦合器一端与天线单元相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口连接，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器。上下对应的两个3分贝90度定向耦合器12之间都有一个端口通过一个45°固定移相器11连接一起，另一端口都连接到跨接器，图1中的标号13处是跨接器的安装处，两组3分贝90度定向耦合器12连接一个跨接器。跨接器是一种由2个分支线定向耦合器背靠背连接在一起而构成的0db定向耦合器，它会占用很大的空间并增加馈电矩阵的复杂程度。

图2所示的是本发明所提供的新型4×4Butler矩阵馈电网络，在上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上实现，两个双面覆铜PCB板背靠背粘结一起。除了跨接器13，其它元器件的数量与图1所示的常规形式的馈电网络相同，包括两个45°固定移相器11和四个90度相移特性的3db定向耦合器12。第一3分贝90度定向耦合器101和第二3分贝90度定向耦合器102为第一组，第三3分贝90度定向耦合器201和第四3分贝90度定向耦合器202为第二组。图2中第四3分贝90度定向耦合器202及其部分连接线与第一、第二和第三3分贝90度定向耦合器101,102和201不在同一个PCB板上，不在一个平面上的连线用虚线表示。如图2所示，本发明实施例中第一3分贝90度定向耦合器101、第二3分贝90度定向耦合器102，以及第三3分贝90度定向耦合器201位于上层PCB板上，第四3分贝90度定向耦合器202位于下层PCB板上。

在两层PCB板上加工有两个垂直的金属过孔14。金属过孔14的位置有两个选择原则，一是两个金属过孔的位置不能过近，否则会产生耦合；二是金属过孔不能离它所要规避的那条微带线过近。具体本发明实施例中第一个金属过孔14位于第一3分贝90度定向耦合器101的附近，并且该金属过孔14在上层PCB板上与第一3分贝90度定向耦合器101之间连接的微带线不与其它微带线交互，在下层PCB板上直接通过微带线连接第四3分贝90度定向耦合器202。第二个金属过孔14位于第四3分贝90度定向耦合器202的下方，在上层PCB板上通过微带线依次连接一个45°固定移相器11和第二3分贝90度定向耦合器102，在下层PCB板上通过微带线连接第四3分贝90度定向耦合器202。

金属过孔14能够将与其连接的微带线的信号在上下两层PCB板间传递，而且经过验证该金属过孔14结构的回波损耗在全频域上均低于-33db，传输系数接近于0db。金属过孔14的结构示意图如图3所示，其中A和B是2层对称放置的PCB板，两层PCB板相粘结的面设为地，C为金属过孔结构，D为在接地板上的开孔。本发明实施例中采用相对介电常数2.55、厚度0.8mm的PCB介质板，以4.8GHz为中心频率，在HFSS软件中建立如图3所示的金属过孔14的拓扑结构。经过优化，在金属过孔C的半径为1.1mm，地板开孔D半径为1.8mm时，过孔C具有最接近微带传输线的电性能。此时其在全频域上回波损耗低于-33db，传输系数不大于-0.15。在具体使用中由于金属过孔的结构造成一定相位偏移，可通过在没有使用金属过孔的微带线中增加一定的长度来补偿由金属过孔引起的相移。

本发明实施例中90度定向耦合器12采用的是3分支的分支线定向耦合器，如图4所示，具有两个输入端口Port1和Port2，两个输出端口Port3和Port4。

本发明实施例中45°固定移相器11为宽带Schiffman移相器，如图2所示，宽带Schiffman移相器由直通端和耦合段两部分组成，a1～a4是四个端口，连接对应位置的3分贝90度定向耦合器的输出端，利用差分的效果来实现特定度数的移相。具体45°固定移相器可以设置在同一块PCB板上，也可以设置不同的PCB板上，可根据实际工程来确定。

经验证，本发明实施例所制备的新型4×4Butler矩阵馈电网络的相对带宽＞25%。本发明采用印刷电路制作方式进行加工，工艺简单，一致性好，易于加工和大批量生产。

Claims (5)

1.一种新型4×4Butler矩阵馈电网络，设置在波束形成设备的波束端口和天线阵列的天线端口之间，具有4输入端口和4输出端口，其特征在于，该馈电网络加工在背靠背粘结一起上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上，包括两个45°固定移相器、两个垂直金属过孔和四个3分贝90度定向耦合器；四个3分贝90度定向耦合器分为两组，第一组3分贝90度定向耦合器一端与天线单元相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口连接，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器；第一组的第一3分贝90度定向耦合器和第二3分贝90度定向耦合器，以及第二组的第三3分贝90度定向耦合器位于上层PCB板上，第二组的第四3分贝90度定向耦合器位于下层PCB板上；两个45°固定移相器位于两组3分贝90度定向耦合器之间；第一个金属过孔用于连接第一3分贝90度定向耦合器和第四3分贝90度定向耦合器，第二个金属过孔用于连接第二3分贝90度定向耦合器，一个45°固定移相器和第四3分贝90度定向耦合器。

2.根据权利要求1所述的新型4×4Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述的45°固定移相器为宽带Schiffman移相器。

3.根据权利要求1或2所述的新型4×4Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述的3分贝90度定向耦合器均为3分支的分支线定向耦合器。

4.根据权利要求1所述的新型4×4Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述的第一个金属过孔位于第一3分贝90度定向耦合器的附近，并且该金属过孔在上层PCB板上与第一3分贝90度定向耦合器之间连接的微带线不与其它微带线交互，在下层PCB板上直接通过微带线连接第四3分贝90度定向耦合器；所述的第二个金属过孔位于第四3分贝90度定向耦合器的下方，在上层PCB板上通过微带线依次连接一个45°固定移相器和第二3分贝90度定向耦合器，在下层PCB板上通过微带线连接第四3分贝90度定向耦合器。

5.根据权利要求1或4所述的新型4×4Butler矩阵馈电网络，其特征在于，所述的PCB板的相对介电常数为2.55、厚度为0.8mm；馈电网络的中心频率为4.8GHz，两个金属过孔的半径均为1.1mm，地板开孔D半径为1.8mm。

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