TWM465678U - 三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列 - Google Patents

Description

三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列

本創作有關於一種巴特勒矩陣，且特別是一種三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列。

天線陣列(array antenna)是利用多個以特定週期性排列的天線，並透過調整天線陣列的輸入相位來對天線陣列的波束進行塑形。因此天線陣列常被運用於軍事掃瞄與追蹤定位上。為了控制波束的方位，傳統的作法是利用機械式轉台來控制，但缺點是機械式轉台的轉動速度較慢且轉台的機械損耗大。因此，之後便發展出電子式的波束形成器，電子式的波束形成器對於波束的方向轉換較快，且機械損耗相當小。巴特勒矩陣(Bulter matrix)為1961年由巴特勒所提出的切換式波束形成器，巴特勒矩陣具有結構簡單與電路整合容易等優點。

然而，利用傳統的巴特勒矩陣的天線陣列在垂直方向的輻射場型並不具有主要的波束，使得在垂直方向上的輻射場強不足使用。在沿用傳統的巴特勒矩陣的設計方式時，其應用上仍受到限制。

本創作實施例提供一種三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列以在垂直方向(垂直於天線陣列的排列方向)提供主波束。

本創作實施例提供一種三埠巴特勒矩陣，其包括第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第一相移器、第二相移器、第三3-dB耦合器、第四3-dB耦合器以及第一交叉跨線。第一3-dB耦合器耦接第一輸入埠以及第二輸入埠。第二3-dB耦合器耦接第二輸入埠以及第三輸入埠。第一相移器耦接第一3-dB耦合器，其中第一相移器具有零度的相移。第二相移器耦接第二3-dB耦合器，其中第二相移器具有零度的相移。第三3-dB耦合器耦接第一相移器、第一輸出埠以及第二輸出埠。第四3-dB耦合器耦接第二相移器、第二輸出埠以及第三輸出埠。第一交叉跨線耦接第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第三3-dB耦合器以及第四3-dB耦合器。第一3-dB耦合器分別透過第三相移器以及第四相移器耦接第一輸入埠以及第二輸入埠。第二3-dB耦合器分別透過第五相移器以及第六相移器耦接第二輸入埠以及第三輸入埠。第三相移器、第四相移器、第五相移器以及第六相移器具有相同的相移。第三3-dB耦合器分別透過第七相移器以及第八相移器耦接第一輸出埠以及第二輸出埠。第四3-dB耦合器分別透過第九相移器以及第十相移器耦接第二輸出埠以及第三輸出埠。第七相移器、第八相移器、第九相移器以及第十相移器具有相同的相移。

在本創作一實施例中，其中第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第三3-dB耦合器以及第四3-dB耦合器是微帶線。

在本創作一實施例中，其中第一相移器以及第二相移器是具有複數個彎折的微帶線。

在本創作一實施例中，其中第一交叉跨線是兩個3-dB耦合器串連合成的微帶線。

在本創作一實施例中，其中所述三埠巴特勒矩陣形成於一印刷電路板上。

本創作實施例提供一種三埠天線陣列。三埠天線陣列包括第一天線、第二天線、第三天線以及三埠巴特勒矩陣。第一天線耦 接第一輸出埠。第二天線鄰近第一天線預定距離且耦接第二輸出埠。第三天線鄰近第二天線預定距離且耦接第三輸出埠。三埠巴特勒矩陣包括第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第一相移器、第二相移器、第三3-dB耦合器、第四3-dB耦合器以及第一交叉跨線。第一3-dB耦合器耦接第一輸入埠以及第二輸入埠。第二3-dB耦合器耦接第二輸入埠以及第三輸入埠。第一相移器耦接第一3-dB耦合器，其中第一相移器具有零度的相移。第二相移器耦接第二3-dB耦合器，其中第二相移器具有零度的相移。第三3-dB耦合器耦接第一相移器、第一輸出埠以及第二輸出埠。第四3-dB耦合器耦接第二相移器、第二輸出埠以及第三輸出埠。第一交叉跨線耦接第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第三3-dB耦合器以及第四3-dB耦合器。第一3-dB耦合器分別透過第三相移器以及第四相移器耦接第一輸入埠以及第二輸入埠。第二3-dB耦合器分別透過第五相移器以及第六相移器耦接第二輸入埠以及第三輸入埠。第三相移器、第四相移器、第五相移器以及第六相移器具有相同的相移。第三3-dB耦合器分別透過第七相移器以及第八相移器耦接第一輸出埠以及第二輸出埠。第四3-dB耦合器分別透過第九相移器以及第十相移器耦接第二輸出埠以及第三輸出埠。第七相移器、第八相移器、第九相移器以及第十相移器具有相同的相移。

在本創作一實施例中，其中第一3-dB耦合器、第二3-dB耦合器、第三3-dB耦合器以及第四3-dB耦合器是微帶線。

在本創作一實施例中，其中第一相移器以及第二相移器是具有複數個彎折的微帶線。

在本創作一實施例中，其中第一交叉跨線是兩個3-dB耦合器串連合成的微帶線。

在本創作一實施例中，其中所述三埠巴特勒矩陣形成於一印刷電路板上。

綜上所述，本創作實施例提供三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列。將四階式(4x4)的巴特勒矩陣的其中兩個輸入埠(第二輸入埠和第三輸入埠)以及兩個輸出埠(第二輸出埠和第三輸出埠)分別合併為一個輸入埠以及一個輸出埠，同時改變相移器的相位，以在垂直方向(垂直於天線陣列的排列方向)產生主波束。

為使能更進一步瞭解本創作之特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本創作，而非對本創作的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧四階式的巴特勒矩陣

11a、21a‧‧‧第一3-dB耦合器

11c、21c‧‧‧第二3-dB耦合器

13a、23a‧‧‧第一相移器

13b、23b‧‧‧第二相移器

11b、21b‧‧‧第三3-dB耦合器

11d、21d‧‧‧第四3-dB耦合器

12a、22a‧‧‧第一交叉跨線

12b‧‧‧第二交叉跨線

P1、P1’‧‧‧第一輸入埠

P2、P2’‧‧‧第二輸入埠

P3、P3’‧‧‧第三輸入埠

P4‧‧‧第四輸入埠

PA、PA’‧‧‧第一輸出埠

PB、PB’‧‧‧第二輸出埠

PC、PC’‧‧‧第三輸出埠

PD‧‧‧第四輸出埠

2‧‧‧三埠巴特勒矩陣

20‧‧‧基板

23c‧‧‧第三相移器

23d‧‧‧第四相移器

23e‧‧‧第五相移器

23f‧‧‧第六相移器

23g‧‧‧第七相移器

23h‧‧‧第八相移器

23i‧‧‧第九相移器

23j‧‧‧第十相移器

A1、A2、A3‧‧‧天線

α ‧‧‧角度

d‧‧‧天線單元的間距

圖1是本創作實施例之四階式的巴特勒矩陣的電路示意圖。

圖2是本創作實施例之利用N階式的巴特勒矩陣的陣列天線的主波束的角度示意圖。

圖3是本創作實施例之三埠巴特勒矩陣的結構示意圖。

圖4是本創作實施例之三埠天線陣列之輻射場型圖。

〔三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列之實施例〕

傳統的巴特勒矩陣包含三種元件：(1)3-dB耦合器(3-dBCoupler)(也稱為枝幹耦合器(branch-line coupler))；(2)交叉跨線(Crossover)；(3)固定式的相移器(Phase shifter)。N階巴特勒矩陣能提供N組不同輸出相位，使天線陣列能在空間中切換N組主波束，其中N為自然數。以下先以4階巴特勒矩陣為例子來說明。

請參照圖1，圖1是本創作實施例之四階式的巴特勒矩陣的電路示意圖。四階式的巴特勒矩陣1包括第一3-dB耦合器11a、第二3-dB耦合器11c、第一相移器13a、第二相移器13b、第三3-dB耦合器11b、第四3-dB耦合器11d、第一交叉跨線12a與第二交叉跨線12b。第一輸入埠P1、第二輸入埠P2、第三輸入埠P3、第 四輸入埠P4用以接收外部的信號饋入，第一輸出埠PA、第二輸出埠PB、第三輸出埠PC、第四輸出埠PD用以連接天線陣列的天線單元(未圖示)，通常天線單元的數目與輸出埠的數目相同，例如：當天線單元為四個，每一個天線單元單獨連接其中一個輸出埠。然而，本創作並不限定天線單元與輸出埠的對應與連接方式，天線單元與輸出埠的對應與連接方式可以隨著設計規格而調整。

第一3-dB耦合器11a耦接第一輸入埠P1與第二輸入埠P2。第二3-dB耦合器11c耦接第三輸入埠P3與第四輸入埠P4。第一相移器13a耦接第一3-dB耦合器11a。第二相移器13b耦接第二3-dB耦合器11c。第三3-dB耦合器11b耦接第一相移器13a與第一輸出埠PA。第四3-dB耦合器11d耦接第二相移器13b與第四輸出埠PD。第一交叉跨線12a耦接第一3-dB耦合器11a、第二3-dB耦合器11c、第三3-dB耦合器11b與第四3-dB耦合器11d。第二交叉跨線12b耦接第三3-dB耦合器11b、第四3-dB耦合器11d、第二輸出埠PB與第三輸出埠PC。

第一相移器13a與所述第二相移器13b為45度相移器。第一交叉跨線12a與第二交叉跨線12b分別為兩個3-dB耦合器串連合成，第二交叉跨線12b可以是非必要性的，僅用以針對第二輸出端PB和第三輸出端PC的相位排序使用。若第二交叉跨線12b被去除，則第三3-dB耦合器11b是耦接第二輸出埠PB，且第四3-dB耦合器11d是耦接第三輸出埠PC。

請同時參照圖1與圖2，圖2是本創作實施例之利用N階式的巴特勒矩陣的陣列天線的主波束的角度示意圖。當決定天線陣列左右邊第n組主波束時，定義各輸出信號的相位差為φ_n ，。

其中n為1~N/2。當φ_n 為負值時，天線陣列的主波束朝向右側，當φ_n 為正值時，天線陣列的主波束朝向左側。因此，天線陣 列的主波束的位置角度α 可以表示為，，其中d為天線單元的間距。

然而，對傳統的四階式的巴特勒矩陣而言，無論以第一輸入埠P1、第二輸入埠P2、第三輸入埠P3或第四輸入埠P4輸入射頻信號時，第一輸出埠PA、第二輸出埠PB、第三輸出埠PC與第四輸出埠PD的天線所構成的天線陣列無法在垂直方向(垂直於天線陣列的排列方向)產生主波束。本創作提出三埠巴特勒矩陣，且將三埠巴特勒矩陣的三個輸出埠分別連接天線，以形成天線陣列。

請同時參照圖1與圖3，圖3是本創作實施例之三埠巴特勒矩陣的結構示意圖。三埠巴特勒矩陣2形成在基板20上。三埠巴特勒矩陣2包括第一3-dB耦合器21a、第二3-dB耦合器21c、第一相移器23a、第二相移器23b、第三3-dB耦合器21b、第四3-dB耦合器21d以及第一交叉跨線22a。

三埠巴特勒矩陣2是將圖1中所示的傳統的四階式的巴特勒矩陣1的第二輸入埠P2和第三輸入埠P3合併為同一個輸入埠(如圖3所示的第二輸入埠P2’)，且在去除第二交叉跨線12b的情況下將第二輸出埠PB與第三輸出埠PC合併為同一個輸出埠(如圖3所示的第二輸出埠PB’)。同時，將第一相移器13a與第二相移器13b所產生的相位差調整為零度。

依據上述的設計，為了去除掉在第二輸入埠P2和第三輸入埠P3合併時所造成的訊號饋入的相位差異，將第二輸入埠P2和第三輸入埠P3分別耦接一個具有相同相移的相移器。此時，第一輸入埠P1、第四輸入埠P4也要分別耦接一個具有相同相移的相移器。

同理，為了去除掉在第二輸出埠PB和第三輸出埠PC合併時所造成的訊號傳遞的相位差異，第一輸出埠PA、第二輸出埠PB、第三輸出埠PC與第四輸出埠PD也要分別耦接一個具有相同相 移的相移器。更詳細的元件連接關係，請參照下面的說明。

復同時參照圖1與圖3，第一3-dB耦合器21a耦接第一輸入埠P1’(即圖1的第一輸入埠P1)以及第二輸入埠P2’。第二3-dB耦合器21c耦接第二輸入埠P2’以及第三輸入埠P3’(即圖1的第四輸入埠P4)。第一相移器23a耦接第一3-dB耦合器21a，且第一相移器23a具有零度的相移。第二相移器23b耦接第二3-dB耦合器21c，且第二相移器23b具有零度的相移。第三3-dB耦合器21b耦接第一相移器23a、第一輸出埠PA’(即圖1的第一輸出埠PA)以及第二輸出埠PB’。第四3-dB耦合器21d耦接第二相移器23b、第二輸出埠PB’以及第三輸出埠PC’(即圖1的第四輸出埠PD)。第一交叉跨線22a耦接第一3-dB耦合器21a、第二3-dB耦合器21c、第三3-dB耦合器21b以及第四3-dB耦合器21d。

第一3-dB耦合器21a分別透過第三相移器23c以及第四相移器23d耦接第一輸入埠P1’以及第二輸入埠P2’。第二3-dB耦合器21c分別透過第五相移器23e以及第六相移器23f耦接第二輸入埠P2’以及第三輸入埠P3’。第三相移器23c、第四相移器23d、第五相移器23e以及第六相移器23f具有相同的相移。

第三3-dB耦合器21b分別透過第七相移器23g以及第八相移器23h耦接第一輸出埠PA’以及第二輸出埠PB’。第四3-dB耦合器21d分別透過第九相移器23i以及第十相移器23j耦接第二輸出埠PB’以及第三輸出埠PC’。第七相移器23g、第八相移器23h、第九相移器23i以及第十相移器23j具有相同的相移。

請同時參照圖2和圖3，第一天線A1耦接第一輸出埠PA’。第二天線PB鄰近第一天線A1一預定距離且耦接第二輸出埠PB’。第三天線鄰近第二天線預定距離且耦接第三輸出埠PC’。所述預定距離即圖2所示的天線單元的間距d。天線A1、A2、A3與三埠巴特勒矩陣2形成三埠天線陣列。

三埠巴特勒矩陣2以微帶線的形式實現。亦即第一3-dB耦合 器21a、第二3-dB耦合器21c、第三3-dB耦合器21b以及第四3-dB耦合器21d可以是微帶線。所述3-dB耦合器是由四段等效電長度為四分之一波長的微帶線所形成的四埠結構。第一相移器23a以及第二相移器23b可以是具有複數個彎折的微帶線。第一交叉跨線22a是兩個3-dB耦合器串連合成的微帶線。第三相移器23c、第四相移器23d、第五相移器23e、第六相移器23f、第七相移器23g、第八相移器23h、第九相移器23i以及第十相移器23j也是微帶線。

基板20是承載微帶線的結構，且基板20的背面是具有金屬層(未繪示)，微帶線的結構可以利用印刷電路板的製程方式形成在基板20上，亦即三埠巴特勒矩陣2可設置於印刷電路板上。基板20可以是玻璃纖維基板，例如是經常被使用的FR4基板。

請同時參照圖3與圖4，圖4是本創作實施例之三埠天線陣列之輻射場型圖。在本實施例中的天線的操作頻率是2400MHz附近，圖4中的輻射場型以操作頻率為2450MHz為例來說明。本實施例中的天線A1、A2、A3是分別具有增益為14dBi的天線。三埠天線陣列的相鄰的天線之間的預定距離(即圖2的天線單元的間距d)是0.77波長，相當於97公厘(mm)。當以第二輸入埠P2’作為饋入端時，此三埠天線陣列的輻射場型是曲線C，可看出在角度零度的方向具有主波束，另在正30度和負30度的方向分別有強度較小的旁波瓣。另外，當以第一輸入埠P1’作為饋入端時，此三埠天線陣列的輻射場型是曲線L，當以第三輸入埠P3’作為饋入端時，此三埠天線陣列的輻射場型是曲線R。

值得一提的是，當以第二輸入埠P2’作為饋入端時，若微調圖3所示的第一相移器23a和第二相移器23b的相移，此三埠天線陣列的輻射場型是曲線C的主波束的強度可以隨之改變。換句話說，依據設計上的需要，為了調整主波束與旁波瓣的強弱，可以微調第一相移器23a和第二相移器23b的相移。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本創作實施例所提供的三埠巴特勒矩陣及其三埠天線陣列是將四階式(4x4)的巴特勒矩陣的其中兩個輸入埠(第二輸入埠和第三輸入埠)以及兩個輸出埠(第二輸出埠和第三輸出埠)分別合併為一個輸入埠以及一個輸出埠，同時改變相移器的相位，以在垂直方向(垂直於天線陣列的排列方向)產生主波束。另外，微調第一相移器23a和第二相移器23b的相移，可以調整主波束與旁波瓣的強弱。

以上所述僅為本創作之實施例，其並非用以侷限本創作之專利範圍。

2‧‧‧三埠巴特勒矩陣

21a‧‧‧第一3-dB耦合器

21c‧‧‧第二3-dB耦合器

23a‧‧‧第一相移器

23b‧‧‧第二相移器

21b‧‧‧第三3-dB耦合器

21d‧‧‧第四3-dB耦合器

22a‧‧‧第一交叉跨線

P1’‧‧‧第一輸入埠

P2’‧‧‧第二輸入埠

P3’‧‧‧第三輸入埠

PA’‧‧‧第一輸出埠

PB’‧‧‧第二輸出埠

PC’‧‧‧第三輸出埠

20‧‧‧基板

23c‧‧‧第三相移器

23d‧‧‧第四相移器

23e‧‧‧第五相移器

23f‧‧‧第六相移器

23g‧‧‧第七相移器

23h‧‧‧第八相移器

23i‧‧‧第九相移器

23j‧‧‧第十相移器

A1、A2、A3‧‧‧天線

Claims (10)

1. 一種三埠巴特勒矩陣，包括：一第一3-dB耦合器，耦接一第一輸入埠以及一第二輸入埠；一第二3-dB耦合器，耦接一第二輸入埠以及一第三輸入埠；一第一相移器，耦接該第一3-dB耦合器，其中該第一相移器具有零度的相移；一第二相移器，耦接該第二3-dB耦合器，其中該第二相移器具有零度的相移；一第三3-dB耦合器，耦接該第一相移器、一第一輸出埠以及一第二輸出埠；一第四3-dB耦合器，耦接該第二相移器、該第二輸出埠以及一第三輸出埠；以及一第一交叉跨線，耦接該第一3-dB耦合器、該第二3-dB耦合器、該第三3-dB耦合器以及該第四3-dB耦合器；其中，該第一3-dB耦合器分別透過一第三相移器以及一第四相移器耦接該第一輸入埠以及該第二輸入埠，該第二3-dB耦合器分別透過一第五相移器以及一第六相移器耦接該第二輸入埠以及該第三輸入埠，該第三相移器、該第四相移器、該第五相移器以及該第六相移器具有相同的相移；其中，該第三3-dB耦合器分別透過一第七相移器以及一第八相移器耦接該第一輸出埠以及該第二輸出埠，該第四3-dB耦合器分別透過一第九相移器以及一第十相移器耦接該第二輸出埠以及該第三輸出埠，該第七相移器、該第八相移器、該第九相移器以及該第十相移器具有相同的相移。
2. 根據申請專利範圍第1項之三埠巴特勒矩陣，其中該第一3-dB耦合器、該第二3-dB耦合器、該第三3-dB耦合器以及該第四3-dB耦合器是微帶線。
3. 根據申請專利範圍第1項之三埠巴特勒矩陣，其中該第一相移 器以及該第二相移器是具有複數個彎折的微帶線。
4. 根據申請專利範圍第1項之三埠巴特勒矩陣，其中該第一交叉跨線是兩個3-dB耦合器串連合成的微帶線。
5. 根據申請專利範圍第1項之三埠巴特勒矩陣，其中該三埠巴特勒矩陣設置於一印刷電路板上。
6. 一種三埠天線陣列，包括：一第一天線，耦接一第一輸出埠；一第二天線，鄰近該第一天線一預定距離且耦接一第二輸出埠；一第三天線，鄰近該第二天線該預定距離且耦接一第三輸出埠；以及一三埠巴特勒矩陣，包括：一第一3-dB耦合器，耦接一第一輸入埠以及一第二輸入埠；一第二3-dB耦合器，耦接一第二輸入埠以及一第三輸入埠；一第一相移器，耦接該第一3-dB耦合器，其中該第一相移器具有零度的相移；一第二相移器，耦接該第二3-dB耦合器，其中該第二相移器具有零度的相移；一第三3-dB耦合器，耦接該第一相移器、該第一輸出埠以及該第二輸出埠；一第四3-dB耦合器，耦接該第二相移器、該第二輸出埠以及該第三輸出埠；以及一第一交叉跨線，耦接該第一3-dB耦合器、該第二3-dB耦合器、該第三3-dB耦合器以及該第四3-dB耦合器；其中，該第一3-dB耦合器分別透過一第三相移器以及一第四相移器耦接該第一輸入埠以及該第二輸入埠，該第二 3-dB耦合器分別透過一第五相移器以及一第六相移器耦接該第二輸入埠以及該第三輸入埠，該第三相移器、該第四相移器、該第五相移器以及該第六相移器具有相同的相移；其中，該第三3-dB耦合器分別透過一第七相移器以及一第八相移器耦接該第一輸出埠以及該第二輸出埠，該第四3-dB耦合器分別透過一第九相移器以及一第十相移器耦接該第二輸出埠以及該第三輸出埠，該第七相移器、該第八相移器、該第九相移器以及該第十相移器具有相同的相移。
7. 根據申請專利範圍第6項之三埠天線陣列，其中該第一3-dB耦合器、該第二3-dB耦合器、該第三3-dB耦合器以及該第四3-dB耦合器是微帶線。
8. 根據申請專利範圍第6項之三埠天線陣列，其中該第一相移器以及該第二相移器是具有複數個彎折的微帶線。
9. 根據申請專利範圍第6項之三埠天線陣列，其中該第一交叉跨線是兩個3-dB耦合器串連合成的微帶線。
10. 根據申請專利範圍第6項之三埠天線陣列，其中該三埠巴特勒矩陣設置於一印刷電路板上。