基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣的製作方法
2023-10-24 17:27:02
基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其包括4個枝節加載諧振器、2個輸入端饋線頭、2個輸出端饋線頭、4根埠饋線。每個諧振器與另外兩個諧振器之間有電耦合或磁耦合，通過電耦合和磁耦合路徑的組合實現相移特性。本實用新型使用枝節加載諧振器單元來代替3dB耦合器，結構簡單，而且實現了帶通濾波特性；通過電耦合和磁耦合的路徑組合來產生相移，不僅省掉了移相器的使用，也保證了較好的隔離度，電路尺寸大大減小。由於巴特勒矩陣為微帶結構，重量輕、成本低、適合工業批量生產，所以巴特勒矩陣具備結構簡單、設計容易、製造成本低廉的優點。
【專利說明】
基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣
技術領域
[0001]本實用新型涉及微帶線形式巴特勒矩陣的技術領域，特別涉及一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣。
【背景技術】
[0002]由於近年來無線通信的高速發展，無論是3G技術的普及、物聯網的火熱還是4G的到來，都標誌著無線技術又將迎來一個蓬勃發展的高峰期。另一方面，隨著電子信息的迅猛發展，人們對於通信質量的要求越來越高，多徑衰落和信道間的幹擾等問題也愈發顯得重要。目前解決這些問題的主要技術是利用波束切換智能天線，而巴特勒矩陣作為組成波束切換智能天線的重要部分，能夠實現波束形成網絡，因此也成為了近些年的研究熱點之一。同時，在實際應用中，為了抑制傳輸信號的寄生頻率和放大器的互調幹擾，通常還需要級聯一個帶通濾波器，這將會造成電路尺寸的加大。如果能夠將巴特勒矩陣和帶通濾波特性集成在一個結構中，必定能大大減小電路的尺寸，這也符合設備小型化的趨勢。
[0003]目前巴特勒矩陣比較常用也比較方便的結構是在輸入埠和輸出埠之間交叉級聯3dB耦合器和特定角度的移相器，使巴特勒矩陣的性能能達到預期的指標。
[0004]2013年，0.M.Haraz 等人在"IEEE Internat1nal Conference on Ul tra-Wideband"上發表題為"Two-Layer Butterfly-Shaped Microstrip 4X4 Butler Matrixfor Ultra-Wideband Beam-Forming Applicat1ns〃，米用雙層微帶線結構，實現了親合器和移相器的交叉互聯，形成一個4X4的巴特勒矩陣。該結構如附圖1所示。
[0005]2013年，Tong-Hong Lin等人在"IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES"上發表題為"Bandwidth Enhancement of 4 X 4ButIerMatrixUsingBroadband Forward-ffave Direct1nalCoupler and Phase Difference Compensat1n"，採用雙層板結構，分別利用前向波直接耦合和相位差異補償技術實現耦合器和移相器，形成一個4 X 4的巴特勒矩陣。該結構如附圖2所示。
[0006]2015年，M.J.Lancaster等人在"IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES"上發表題為"Advanced Butler Matrices with Integrated BandpassFilter Funct1ns"，採用腔體諧振器來實現帶通濾波特性，利用腔體諧振器之間的耦合實現相移，形成一個2X2帶濾波特性的巴特勒矩陣。該結構如附圖3所示。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，該巴特勒矩陣採用的是在輸入埠和輸出埠之間級聯諧振器單元的結構，並且通過諧振器單元間的電耦合和磁耦合的組合，來實現輸出信號相位差為0°或180°，從而省略了移相器結構，減小了電路的尺寸，同時級聯的諧振器單元能夠實現良好的帶通濾波特性。
[0008]本實用新型的目的通過下述技術方案實現:
[0009]一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，以印刷電路板的方式製作在介質基板I上，
[0010]一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，以印刷電路板的方式製作在介質基板I上，所述介質基板的同一面上分別製作有用於輸入電磁波信號的第一輸入端饋線頭Pl和第二輸入端饋線頭P2、用於輸出電磁波信號的第一輸出端饋線頭P3和第二輸出端饋線頭P4、與所述第一輸入端饋線頭Pl相連的第一埠饋線2、與所述第二輸入端饋線頭P2相連的第二埠饋線5、與所述第一輸出端饋線頭P3相連的第三埠饋線
3、與所述第二輸出端饋線頭P4相連的第四埠饋線4、兩組分別上下相鄰並鏡像對稱的第一諧振器9與第三諧振器6以及第四諧振器8與第二諧振器7;
[0011]所述第一諧振器9與所述第四諧振器8以及所述第三諧振器6與所述第二諧振器7左右相鄰設置;所述第一埠饋線2位於所述第一諧振器9的上方，所述第三埠饋線3位於所述第三諧振器6的下方，並且所述第一埠饋線2與所述所述第三埠饋線3上下平行對稱設置;所述第四埠饋線4位於所述第四諧振器8的外側，所述第二埠饋線5位於所述第二諧振器7的外側，並且所述第四埠饋線4與所述第二埠饋線5位於同一豎直直線上；
[0012]所述第一埠饋線2和所述第二埠饋線4左右垂直設置;所述第三埠饋線3和所述第二埠饋線5左右垂直設置。
[0013]進一步地，所述第一諧振器9、所述第四諧振器8、所述第二諧振器7、所述第三諧振器6均為枝節加載諧振器。
[0014]進一步地，所述第一諧振器9與所述第三諧振器6均包括開口向左的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的底端與L型枝節的一端相連。
[0015]進一步地，所述第四諧振器8包括開口向上的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連;所述第二諧振器7包括開口向下的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連。
[0016]進一步地，所述第一諧振器9與所述第三諧振器6、所述第一諧振器9與所述第四諧振器8、所述第三諧振器6與所述第二諧振器7之間存在電耦合，分別通過調節上述諧振器之間的第一耦合間隙10、第二耦合間隙11、第三耦合間隙12的大小控制電耦合的大小。
[0017]進一步地，所述第二諧振器7與所述第四諧振器8之間存在磁耦合，通過調節上述諧振器之間的第四耦合間隙13的大小控制磁耦合的大小。
[0018]進一步地，所述第一輸入端饋線頭Pl輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相等。
[0019]進一步地，所述第二輸入端饋線頭P2輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相差180°。
[0020]進一步地，所述第一輸入端饋線頭Pl與所述第一埠饋線2的一端垂直連接，所述第二輸入端饋線頭P2與所述第二埠饋線5的一端垂直連接，所述第一輸出端饋線頭P3與所述第三埠饋線3的一端垂直連接，所述第二輸出端饋線頭P4與所述第四埠饋線4的一端垂直連接。
[0021 ]本實用新型相對於現有技術具有如下的優點及效果:
[0022]1、使用枝節加載諧振器單元來代替3dB耦合器，結構簡單，而且實現了帶通濾波特性。
[0023]2、通過電耦合和磁耦合的路徑組合來產生相移，不僅省掉了移相器的使用，也保證了較好的隔離度，電路尺寸大大減小。
[0024]3、由於巴特勒矩陣為微帶結構，重量輕、成本低、適合工業批量生產，所以巴特勒矩陣具備結構簡單、設計容易、製造成本低廉的優點。
【附圖說明】
[0025]圖1是現有技術I中公開的一種巴特勒矩陣的結構示意圖；
[0026]圖2是現有技術2中公開的一種巴特勒矩陣的結構示意圖；
[0027]圖3是現有技術3中公開的一種巴特勒矩陣的結構示意圖；
[0028]圖4是本實用新型提出的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣的結構示意圖；
[0029]圖5是本實用新型提出的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣的結構尺寸示意圖；
[0030]圖6(a)是從Pl埠輸入信號時巴特勒矩陣的散射參數仿真結果圖；
[0031]圖6(b)是從P2埠輸入信號時巴特勒矩陣的散射參數仿真結果圖；
[0032]圖7是本實用新型提出的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣的P3埠和P4埠的輸出信號相位差示意圖；
[0033]圖8是本實用新型提出的輸出信號相位差的仿真結果與理想的輸出信號相位差的誤差示意圖。
【具體實施方式】
[0034]為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0035]實施例
[0036]本實施例公開一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣如圖1所示，該微帶線巴特勒矩陣以印刷電路板的方式製作在雙面覆銅微帶板I上，微帶板的另外一面是覆銅接地板。在本實用新型中的巴特勒矩陣的結構圖中。
[0037]所述介質基板的同一面上分別製作有用於輸入電磁波信號的第一輸入端饋線頭Pl和第二輸入端饋線頭P2、用於輸出電磁波信號的第一輸出端饋線頭P3和第二輸出端饋線頭P4、與所述第一輸入端饋線頭Pl相連的第一埠饋線2、與所述第二輸入端饋線頭P2相連的第二埠饋線5、與所述第一輸出端饋線頭P3相連的第三埠饋線3、與所述第二輸出端饋線頭P4相連的第四埠饋線4、兩組分別上下相鄰並鏡像對稱的第一諧振器9與第三諧振器6以及第四諧振器8與第二諧振器7;
[0038]所述第一諧振器9與所述第四諧振器8以及所述第三諧振器6與所述第二諧振器7左右相鄰設置;所述第一埠饋線2位於所述第一諧振器9的上方，所述第三埠饋線3位於所述第三諧振器6的下方，並且所述第一埠饋線2與所述所述第三埠饋線3上下平行對稱設置;所述第四埠饋線4位於所述第四諧振器8的外側，所述第二埠饋線5位於所述第二諧振器7的外側，並且所述第四埠饋線4與所述第二埠饋線5位於同一豎直直線上；
[0039]所述第一埠饋線2和所述第二埠饋線4左右垂直設置;所述第三埠饋線3和所述第二埠饋線5左右垂直設置。
[0040]其中，所述第一諧振器9、所述第四諧振器8、所述第二諧振器7、所述第三諧振器6均為枝節加載諧振器。
[0041]其中，所述第一諧振器9與所述第三諧振器6均包括開口向左的U型諧振器與L型枝節，並且，U型諧振器的底端與L型枝節的一端相連。
[0042]其中，所述第四諧振器8包括開口向上的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連;所述第二諧振器7包括開口向下的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連。
[0043]帶通濾波器的外部品質因素可以通過改變饋線的長度和饋線和諧振器間的耦合調節。所述第一諧振器9與所述第三諧振器6、所述第一諧振器9與所述第四諧振器8、所述第三諧振器6與所述第二諧振器7之間存在電耦合，分別通過調節上述諧振器之間的第一耦合間隙10、第二耦合間隙11、第三耦合間隙12的大小控制電耦合的大小。
[0044]所述第二諧振器7與所述第四諧振器8之間存在磁耦合，通過調節上述諧振器之間的第四耦合間隙13的大小控制磁耦合的大小。
[0045]所述第一輸入端饋線頭Pl輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相等。
[0046]所述第二輸入端饋線頭P2輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相差180°。
[0047]所述第一輸入端饋線頭Pl與所述第一埠饋線2的一端垂直連接，所述第二輸入端饋線頭P2與所述第二埠饋線5的一端垂直連接，所述第一輸出端饋線頭P3與所述第三埠饋線3的一端垂直連接，所述第二輸出端饋線頭P4與所述第四埠饋線4的一端垂直連接。
[0048]從第一輸入端饋線頭Pl埠輸入的信號，通過第一埠饋線2耦合到第一諧振器9，然後通過第一諧振器9與第四諧振器8之間的電耦合耦合到第四諧振器8，並使信號產生90°的相位超前，接著第四諧振器8的信號通過第四埠饋線4耦合到第二輸出端饋線頭P4，因此第二輸出端饋線頭P4能接收到相位超前90°的信號；同時，第一諧振器9中的信號，也會通過第一諧振器9與第三諧振器6之間的電耦合耦合到第三諧振器6，並使信號產生90°的相位超前，接著第三諧振器6的信號通過第三埠饋線3耦合到第一輸出端饋線頭P3，因此第一輸出端饋線頭P3能接收到相位超前90°的信號;所以第一輸出端饋線頭P3和第二輸出端饋線頭P4的埠會得到相位都超前90°的信號，但是它們的相位還是相等的。同時第四諧振器8與第三諧振器6中信號分別通過第四諧振器8與第二諧振器7之間的磁耦合與第三諧振器6與第二諧振器7之間的電耦合耦合到第二諧振器7，並分別產生90°的相位滯後和90°的相位超前，則在第二諧振器7中有兩個大小相等，相位差為180°的信號，相互抵消，因此第二輸入端饋線頭P2埠輸出信號很小，因此兩個輸入埠之間具有較高的隔離度。
[0049]從第二輸入端饋線頭P2埠輸入的信號，通過第二埠饋線5耦合到第二諧振器7，然後通過第二諧振器7與第四諧振器8之間的磁耦合耦合到第四諧振器8，並使信號產生90°的相位滯後，接著第四諧振器8的信號通過第四埠饋線4耦合到第二輸出端饋線頭P4，因此第二輸出端饋線頭P4能接收到相位滯後90°的信號；同時，第二諧振器7中的信號，也會通過第二諧振器7與第三諧振器6之間的電耦合耦合到第三諧振器6，並使信號產生90°的相位超前，接著第三諧振器6的信號通過第三埠饋線3耦合到第一輸出端饋線頭P3，因此第一輸出端饋線頭P3能接收到相位超前90°的信號;所以第一輸出端饋線頭P3和第二輸出端饋線頭P4的埠會分別得到相位滯後90°和相位超前90°的信號，故它們的相位相差180°。同時第四諧振器8與第三諧振器6中信號分別通過第四諧振器8與第一諧振器9之間的電耦合以及第三諧振器6與第一諧振器9之間的電耦合耦合到第一諧振器9，並都產生90°的相位超前，因此第一諧振器9中有兩個大小相等，相位差為180°，相互抵消，因此第一輸入端饋線頭Pl埠輸出信號很小，具有較高的隔離度。這個四個埠均為50歐姆的匹配阻抗。
[0050]圖5是本實用新型提出的巴特勒矩陣結構尺寸示意圖。該結構圖是對稱的。
[0051 ]使用三維仿真軟體ZELAND IE3D對巴特勒矩陣進行仿真，本實用新型設計的巴特勒矩陣使用的微帶基板的相對介電常數為2.55，介質高度為0.8，濾波器的主要結構參數為:Li = 17.80mm ,L2 = 30.33mm, L3 = 5.60mm, L4 = 5.00mm, L5 = 5.60mm,L6 = 5.00mm,L7 =11.00mm，L8 = 6.09mm,Lg = 6.20mm,Li。= 18.49mm,Lu = 17.45mm,Wi = 1.00mm，W2 = 0.40mm，Si=0.50mm,S2 = 0.48mm,S3 = 1.5mm,S4 = 0.58mm。
[0052]圖6(a)和圖6(b)分別顯示從Pl埠和P2埠輸入信號時巴特勒矩陣的散射參數仿真結果，其帶通濾波特性的中心頻率分別為2.4Ghz，橫軸表示本實用新型中巴特勒矩陣的信號頻率，縱軸表不幅度，包括插入損耗(531、341、332、342)的幅度、回波損耗(311，522)的幅度以及隔咼度(S21，Si2)的幅度，其中Sn，322分別表不口01"1:1與口01^2的回波損耗，331表不口01'1:1和口01^3的插入損耗，341表示口01'1:1和口01^4的插入損耗，332表示口01^2和口01^3的插入損耗，S42表不port2和port4的插入損耗。插入損耗表不一個信號的輸入功率與另一個埠信號的輸出功率之間的關係，其相應的數學函數為:輸出功率/輸入功率(dB) = 20*log I S21
。回波損耗表示該埠信號的輸入功率與信號的反射功率之間的關係，其相應的數學函數如下:反射功率/入射功率==20*1<^|311|。
[0053]在2.4Ghz的通帶中，回波損耗Sn和S22的絕對值大於17dB，插入損耗S31、S41、S32和S42的絕對值均小於4dB。從1.8至3Ghz的頻率範圍看，巴特勒矩陣的隔離度S12和S21的絕對值大於36dB。
[0054]圖7顯示了巴特勒矩陣的P3埠和P4埠的輸出信號相位差，橫軸表示本實用新型中巴特勒矩陣的信號頻率，縱軸表示角度。在帶通濾波器的通帶內，當信號從Pl埠輸入時，可以在P3埠和P4埠接收到相位基本相等的兩個信號；當信號從P2埠輸入時，可以在P3埠和P4埠接收到相位差約為180°的兩個信號。圖8顯示了輸出信號相位差的仿真結果與理想的輸出信號相位差的誤差。如附圖8所示，在帶通濾波器的通帶內，輸出信號的相位差的誤差小於5°。
[0055]綜上所述，本實施例提出的一種具有帶通濾波特性的巴特勒矩陣的設計方案，利用組合四個枝節加載諧振器結構，並且每個諧振器與其它兩個諧振器之間存在電耦合或磁耦合，通過耦合路徑的組合使輸出信號產生0°或180°的相位差。具有設計靈活，體積小，成本低，隔離度高，濾波特性好，輸出信號相位差誤差小的特點。
[0056]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。
【主權項】
1.一種基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，以印刷電路板的方式製作在介質基板(I)上，其特徵在於: 所述介質基板的同一面上分別製作有用於輸入電磁波信號的第一輸入端饋線頭Pl和第二輸入端饋線頭P2、用於輸出電磁波信號的第一輸出端饋線頭P3和第二輸出端饋線頭P4、與所述第一輸入端饋線頭Pl相連的第一埠饋線(2)、與所述第二輸入端饋線頭P2相連的第二埠饋線(5)、與所述第一輸出端饋線頭P3相連的第三埠饋線(3)、與所述第二輸出端饋線頭P4相連的第四埠饋線(4)、兩組分別上下相鄰並鏡像對稱的第一諧振器(9)與第三諧振器(6)以及第四諧振器(8)與第二諧振器(7); 所述第一諧振器(9)與所述第四諧振器(8)以及所述第三諧振器(6)與所述第二諧振器(7)左右相鄰設置;所述第一埠饋線(2)位於所述第一諧振器(9)的上方，所述第三埠饋線(3)位於所述第三諧振器(6)的下方，並且所述第一埠饋線(2)與所述所述第三埠饋線(3)上下平行對稱設置;所述第四埠饋線(4)位於所述第四諧振器(8)的外側，所述第二埠饋線(5)位於所述第二諧振器(7)的外側，並且所述第四埠饋線(4)與所述第二埠饋線(5)位於同一豎直直線上； 所述第一埠饋線(2)和所述第二埠饋線(4)左右垂直設置;所述第三埠饋線(3)和所述第二埠饋線(5)左右垂直設置。2.根據權利要求1所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第一諧振器(9)、所述第四諧振器(8)、所述第二諧振器(7)、所述第三諧振器(6)均為枝節加載諧振器。3.根據權利要求2所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第一諧振器(9)與所述第三諧振器(6)均包括開口向左的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的底端與L型枝節的一端相連。4.根據權利要求2所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第四諧振器(8)包括開口向上的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連;所述第二諧振器(7)包括開口向下的U型諧振器與L型枝節，其中，U型諧振器的左側與L型枝節的一端相連。5.根據權利要求1至4任一所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第一諧振器(9)與所述第三諧振器(6)、所述第一諧振器(9)與所述第四諧振器(8)、所述第三諧振器(6)與所述第二諧振器(7)之間存在電耦合，分別通過調節上述諧振器之間的第一耦合間隙(10)、第二耦合間隙(11)、第三耦合間隙(12)的大小控制電耦合的大小。6.根據權利要求1至4任一所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第二諧振器(7)與所述第四諧振器(8)之間存在磁耦合，通過調節上述諧振器之間的第四耦合間隙(13)的大小控制磁耦合的大小。7.根據權利要求1至4任一所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第一輸入端饋線頭Pl輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相等。8.根據權利要求1至4任一所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於，所述第二輸入端饋線頭P2輸入電磁波信號時，所述第一輸出端饋線頭P3和所述第二輸出端饋線頭P4輸出的信號相位相差180°。9.根據權利要求1所述的基於枝節加載諧振器的具有帶通濾波特性的微帶線巴特勒矩陣，其特徵在於， 所述第一輸入端饋線頭Pl與所述第一埠饋線(2)的一端垂直連接，所述第二輸入端饋線頭P2與所述第二埠饋線(5)的一端垂直連接，所述第一輸出端饋線頭P3與所述第三埠饋線(3)的一端垂直連接，所述第二輸出端饋線頭P4與所述第四埠饋線(4)的一端垂直連接。
【文檔編號】H01Q21/00GK205723954SQ201620524866
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】陳付昌, 邵強
【申請人】華南理工大學