一種3×3Butler矩陣和5×6Butler矩陣的製作方法

2023-05-06 13:29:06 1

一種3×3Butler矩陣和5×6Butler矩陣的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種3×3Butler矩陣，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；還涉及一種5×6Butler矩陣，包括第一3×3Butler矩陣、第二3×3Butler矩陣、第四定向耦合器、第五定向耦合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器。本實用新型提供的3×3Butler矩陣和5×6Butler矩陣具有尺寸小、頻帶寬、損耗小、高隔離度且性能穩定的特點，填補了現有技術中關於3×3Butler矩陣和5×6Butler矩陣的具體技術方案的空白，具有廣泛的應用前景和價值。
【專利說明】—種 3X3Butler 矩陣和 5X6Butler 矩陣
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微波無源器件【技術領域】，更具體地涉及一種用于波束形成網絡的3X3Butler 矩陣和 5X6Butler 矩陣。
【背景技術】
[0002]隨著移動通信技術的迅速發展和移動通信業務量的急劇增加，正面臨著通信小區間信號幹擾強、頻譜容量不足和信號覆蓋窄等問題。多波束天線可以同時產生多個波束的方向圖特性，可以增加網絡容量；另外，多波束天線易實現窄波束和高增益，可以降低信號幹擾和增加覆蓋距離。因此，多波束天線具有廣泛的應用前景和價值。
[0003]其中，Butler (巴特勒)矩陣是多波束天線的重要組成部分，是產生多波束特性的關鍵部件。然而，現有技術中的Butler (巴特勒)矩陣的尺寸較大，頻帶較窄，且具有較高的耗損，有待於進一步地完善。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在於，針對現有技術中存在的不足，提供一種尺寸小、頻帶寬、損耗小、高隔離度且性能穩定的3X3Butler矩陣和5X6Butler矩陣。
[0005]為實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案:
[0006]—種3X3Butler矩陣,包括第一定向f禹合器、第二定向f禹合器、第三定向f禹合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；其中，每個定向稱合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；
[0007]所述3 X 3Butler矩陣有三個輸入埠和三個輸出埠，分別為第一輸入埠、第二輸入埠、第三輸入埠、第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠 ；
[0008]所述第二定向耦合器的第二輸入端連接到第一輸入埠，所述第一定向耦合器的第二輸入端連接到第二輸入埠，第一定向稱合器的第一輸入端連接到第三輸入埠 ；第一定向I禹合器的第一輸出端通過第一固定移相器連接到第三定向I禹合器的第一輸入端，第一定向I禹合器的第二輸出端與第二定向I禹合器的第一輸入端連接，第二定向I禹合器的第一輸出端與第三定向I禹合器的第二輸入端連接，第二定向I禹合器的第二輸出端通過第三固定移相器連接到第一輸出埠，第三定向耦合器的第二輸出端通過第二固定移相器連接到第二輸出埠，第三定向耦合器的第一輸出端連接到第三輸出埠；
[0009]其中，所述第一固定移相器的傳輸相位相對於第二定向耦合器的第一輸入端到第一輸出端的傳輸相位延遲90度,所述第二固定移相器的傳輸相位相對於第三定向I禹合器的第一輸出端到第三輸出埠的傳輸相位延遲90度,所述第三固定移相器的傳輸相位相對於第二定向I禹合器的第一輸出端到第二輸出埠的傳輸相位延遲90度。
[0010]進一步地,所述第一至三定向I禹合器的第一輸入端與第一輸出端分布於同側，第二輸入端與第二輸出端分布於同側。
[0011]進一步地，第一定向耦合器和第三定向耦合器為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率相等，分別是輸入信號功率的一半；
[0012]第二定向耦合器為具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率分別是輸入信號功率的1/3和2/3 ；
[0013]當從第一、第二或第三定向耦合器的任何一個輸入端饋電時，其異側輸出端的傳輸相位比同側輸出端的傳輸相位延遲90度。
[0014]進一步地，所述第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器為微帶結構或帶狀線結構。
[0015]進一步地，所述第一至三定向耦合器為分支線耦合器或耦合線耦合器。
[0016]進一步地，所述第一至三固定移相器的結構包括相互串聯的阻抗相同的兩段1/4 λ傳輸線和在這兩個傳輸線的中點處連接並聯加載的1/4 λ短路傳輸線或1/2 λ開路傳輸線，λ為固定移相器工作頻段的中心頻率。
[0017]一種5 X 6Butler矩陣，包括第一 3 X 3Butler矩陣、第二 3 X 3Butler矩陣、第四定向率禹合器、第五定向I禹合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器；其中，每個定向率禹合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；所述功分器具有輸入端、第一輸出端和第二輸出端；
[0018]所述5X6Butler矩陣有五個輸入埠和六個輸出埠，分別為第一至五輸入埠和第一至六輸出埠；
[0019]所述功分器的輸入端連接到5X6Butler矩陣的第一輸入埠，功分器的第二輸出端連接到第二 3X3Butler矩陣的第一輸入埠，功分器的第一輸出端連接到第一3X3Butler矩陣的第一輸入埠 ；所述第五定向稱合器的第二輸入端連接到5X6Butler矩陣的第二輸入埠，第一輸入端連接到5 X 6Butler矩陣的第三輸入埠，第二輸出端連接到第二 3X3Butler矩陣的第二輸入埠，第一輸出端通過第五固定移相器連接到第一3X3Butler矩陣的第二輸入埠 ；所述第四定向I禹合器的第二輸入端連接到5X6Butler矩陣的第四輸入埠，第一輸入端連接到5 X 6Butler矩陣的第五輸入埠，第二輸出端連接到第二 3 X 3Butler矩陣的第三輸入埠，第一輸出端通過第四固定移相器連接到第一3X3Butler矩陣的第三輸入埠 ；所述第二3X3Butler矩陣5的第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠分別連接到5X6Butler矩陣的第一輸出埠、第五輸出埠和第三輸出埠，第一 3 X 3Butler矩陣4的第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠分別連接到5X6Butler矩陣的第二輸出埠、第六輸出埠和第四輸出埠 ；
[0020]所述第四固定移相器為30°超前移相器，所述第五固定移相器為150°超前移相器。
[0021]進一步地，所述第四定向I禹合器和第五定向I禹合器的第一輸入端與第一輸出端分布於同側，第二輸入端與第二輸出端分布於同側；
[0022]所述第四定向耦合器和第五定向耦合器為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率相等，分別是輸入信號功率的一半；
[0023]當從第四或第五定向I禹合器的任何一個輸入端饋電時，其異側輸出端的傳輸相位比同側輸出端的傳輸相位延遲90度。
[0024]進一步地，所述第四定向耦合器和第五定向耦合器為分支線耦合器或耦合線耦合器。[0025]進一步地，所述功分器為等功率、等相位功分器。
[0026]本實用新型提供的一種3 X 3Butler矩陣的輸出埠可以連接3個天線陣列，在三個輸入埠分別生成3個不同指向的波束。本實用新型提供的一種5X6Butler矩陣的輸出埠可以連接5個天線陣列，在五個輸入埠分別生成5個不同指向的波束。本實用新型提供的3X3Butler矩陣和5X6Butler矩陣具有尺寸小、頻帶寬、損耗小、高隔離度且性能穩定的特點，填補了現有技術中關於3 X 3Butler矩陣和5 X 6Butler矩陣的具體技術方案的空白，具有廣泛的應用前景和價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型實施例一的拓撲結構圖。
[0028]圖2本實用新型實施例一的微帶結構示意圖。
[0029]圖3是本實用新型實施例一中的第二固定移相器的結構示意圖。
[0030]圖4是本實用新型實施例一的S參數仿真結果圖。
[0031]圖5是圖4的仿真結果參數表。
[0032]圖6是本實用新型實施例二的拓撲結構圖。
[0033]圖7本實用新型實施例二的部分微帶結構示意圖。
[0034]圖8是圖7中的第四固定移相器的結構示意圖。
[0035]圖9是本實用新型實施例二的S參數仿真結果圖。
[0036]圖10和圖11是圖9的仿真結果參數表。
【具體實施方式】
[0037]下面將結合附圖和具體的實施例對本實用新型的技術方案進行詳細說明。
[0038]實施例一
[0039]請參照圖1和圖2，本實用新型實施例提供的一種3X3Butler (巴特勒)矩陣由第一定向I禹合器1、第二定向I禹合器2、第三定向f禹合器3、第一固定移相器4、第二固定移相器5和第三固定移相器6組成；其中，每個定向耦合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；所述3X3Butler矩陣有3個信號輸入埠，分別為第一輸入埠 in1、第二輸入埠 in2和第三輸入埠 in3，有3個輸出埠，分別為第一輸出埠 outl、第二輸出埠 out2和第三輸出埠 out3。
[0040]本實用新型實施例中各部件的連接關係如圖1所示，所述第二定向耦合器2的第二輸入端2b連接到第一輸入埠 ini,所述第一定向稱合器I的第二輸入端Ib連接到第二輸入埠 in2,第一定向f禹合器I的第一輸入端Ia連接到第三輸入埠 in3 ;第一定向I禹合器I的第一輸出端Id通過第一固定移相器4連接到第三定向f禹合器3的第一輸入端3a,第一定向I禹合器I的第二輸出端Ic與第二定向I禹合器2的第一輸入端2a連接,第二定向稱合器2的第一輸出端2d與第三定向I禹合器3的第二輸入端3b連接,第二定向I禹合器2的第二輸出端2c通過第三固定移相器6連接到第一輸出埠 outl,第三定向f禹合器3的第二輸出端3c通過第二固定移相器5連接到第二輸出埠 out2,第三定向f禹合器3的第一輸出端3d連接到第三輸出埠 out3。
[0041]第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均可以採用微帶或帶狀線結構來實現。在本實用新型實施例中，第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均採用微帶結構來實現。
[0042]所述第一至三定向耦合器為分支線耦合器或耦合線耦合器。在本實用新型實施例中，第一至三定向稱合器都採用2階分支線稱合器(branch line coupler)結構來實現,請參照圖2ο所述第一至三定向I禹合器的第一輸入端與第一輸出端分布於同側，第二輸入端與第二輸出端分布於同側。所述第一至三定向耦合器具有90度相移特性，即當從第一、第二或第三定向I禹合器的任何一個輸入端饋電時，其異側輸出端的傳輸相位比同側輸出端的傳輸相位延遲90度。
[0043]具體地，第一定向耦合器I為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。當信號從第一定向I禹合器I的第一輸入端Ia饋電時,第一輸出端Id與第二輸出端Ic的分配功率相等，為輸入信號功率的一半，第二輸出端Ic的輸出相位相對於第一輸出端Id的相位延遲90度。類似地，當信號從第一定向I禹合器I的第二輸入端Ib饋電時,第一輸出端Id與第二輸出端Ic的分配功率相等，為輸入信號功率的一半，第一輸出端Id的輸出相位相對於第二輸出端Ic的輸出相位延遲90度。
[0044]第二定向耦合器2為具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器。當信號從第二定向I禹合器2的第一輸入端2a饋電時,第一輸出端2d的分配功率是第二輸出端2c的分配功率的一半，即第一輸出端2d的分配功率是輸入信號功率的1/3,第二輸出端2c的分配功率是輸入信號功率的2/3,第二輸出端2c的輸出相位相對於第一輸出端2d的相位延遲90度。類似地，當信號從第二定向耦合器2的第二輸入端2b饋電時，第二輸出端2c的分配功率是第一輸出端2d的分配功率的一半，即第二輸出端2c的分配功率是輸入信號功率的1/3,第一輸出端2d的分配功率是輸入信號功率的2/3,第一輸出端2d的輸出相位相對於第二輸出端2c的相位延遲90度。
[0045]第三定向耦合器3為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。當信號從第三定向I禹合器3的第一輸入端3a饋電時,第一輸出端3d與第二輸出端3c的分配功率相等，為輸入信號功率的一半，第二輸出端3c的輸出相位相對於第一輸出端3d的相位延遲90度。類似地，當信號從第三定向I禹合器3的第二輸入端3b饋電時,第一輸出端3d與第二輸出端3c的分配功率相等,為輸入信號功率的一半，第一輸出端3d的輸出相位相對於第二輸出端3c的輸出相位延遲90度。
[0046]進一步地，第一固定移相器4位於第一定向f禹合器I的第一輸出端Id和第三定向率禹合器3第一輸入端3a之間,第一固定移相器4的傳輸相位相對於第二定向稱合器2的第一輸入端2a到第一輸出端2d的傳輸相位延遲90度；第二固定移相器5位於第三定向I禹合器3的第二輸出端3c和第二輸出埠 out2之間，為90度滯後移相器，即第二固定移相器5的傳輸相位相對於第三定向I禹合器3的第一輸出端3d到第三輸出埠 out3的傳輸相位延遲90度；第三固定移相器6位於第二定向I禹合器2的第二輸出端2c和第一輸出埠 outl之間，第三固定移相器6的傳輸相位相對於第二定向I禹合器2的第一輸出端2d到第二輸出埠 out2的傳輸相位延遲90度。
[0047]為了實現移相器的寬頻特性，在本實用新型實施例中，第一至三固定移相器採用1/4波長短路加載枝節結構，所述第一至三固定移相器的結構包括相互串聯且阻抗相同的兩段1/4 λ傳輸線和在這兩個傳輸線的中點處連接並聯加載的1/4 λ短路傳輸線。[0048]由於第一至三固定移相器的結構相似，原理相同，在此僅以第二固定移相器5為例，分析其結構和原理，請參照圖3。第二固定移相器5由5段傳輸線組成，包括依次連接的3c-5a、5a-5b、5b-5c、5c-out2段傳輸線和連接於3c_out2中點的5b_5s段傳輸線，其中3c_5a和5c_out2段傳輸線為50歐姆傳輸線，5a_5b和5b_5c段的傳輸線的線寬(阻抗)相同，電長度相同，都為1/4λ (λ為固定移相器工作頻段的中心頻率)，5b-5s段為並聯加載的1/4λ短路傳輸線，終端通過導電孔5s與地板(未畫出)短路。首先，通過調節3c-5a與5c-out2段的線長，可以使3c-out2段傳輸線在中心頻率的傳輸相位相對3d-out3段傳輸線的傳輸相位延遲90°，再通過調節5a-5c和5b-5s段傳輸線的寬度(阻抗)來調節3C-out2段傳輸線在中心頻率的傳輸相位相對3d-out3段傳輸線的延遲相位數值，選擇合適的線寬(阻抗)，可以使3C-out2段傳輸線在整個工作頻段的傳輸相位相對3d-out3段傳輸線延遲90°，誤差在±2°以內，從而實現移相器的寬頻設計。
[0049]本實用新型實施例的工作原理如下:
[0050]射頻信號若從第一輸入埠 ini輸入,信號首先經過第二定向I禹合器2後分出兩路信號，第二定向I禹合器2的第一輸出端2d信號為2/3 Z -90° ,第二輸出端2c信號為1/3 ZO0，其中信號2/3 Z-90°流向第三定向耦合器3，信號1/3 Z 0°流向第三固定移相器6。信號2/3 Z-90°經過第三定向I禹合器3後,第三定向f禹合器3的第一輸出端3d、第二輸出端3c信號分別為1/3 Z-180°、1/3Ζ-90°，第三輸出埠 out3輸出信號為1/3 Z-180° ;信號1/3 Z-90°經過第二固定移相器5後，第二輸出埠 out2輸出信號為1/3 Z -180° ;而第二定向耦合器2的第二輸出端2c的信號1/3 Z 0°經過第三固定移相器6後,第一輸出埠 outl輸出信號為1/3 Z-180°。因此,若從第一輸入埠 ini輸入信號後，則第一輸出埠 outl、第二輸出埠 out2、第三輸出埠 out3的輸出信號分別為1/3 Z-180° ,1/3 Z-180° ,1/3 Z-180°，即當從第一輸入埠 ini饋電時，第一至三輸出埠的信號等幅等相。
[0051]射頻信號若從第二輸入埠 in2輸入,信號首先經過第一定向I禹合器I後分出兩路信號，第一定向I禹合器I的第一輸出端Id信號為1/2 Z -90° ,第二輸出端Ic信號為1/2Z00，其中信號1/2Z0。流向第二定向耦合器2，信號1/2 Z-90°流向第一固定移相器4。信號1/2 Z 0°經過第二定向I禹合器2後,第二定向f禹合器2的第一輸出端2d、第二輸出端2c的信號分別為1/6 Z 0°、1/3 Z-90°，其中信號1/6 Z 0°流向第三定向耦合器3，信號1/3 Z-90°流向第三固定移相器6,其中信號1/6 Z 0°經過第三定向I禹合器3後,第三定向I禹合器3的第一輸出端3d、第二輸出端3c信號分別為1/12 Z-90° >1/12 Z 0° ,信號1/12 Z 0°再經過第二固定移相器5後，第二輸出埠 out2的信號為1/12 Z-90°，其中信號1/3 Z-90°經過第三固定移相器6後,第一輸出埠 outl的信號為1/3 Z-270° ;第一定向I禹合器I的第一輸出端Id的信號1/2 Z -90°經過第一固定移相器4後,第三定向I禹合器3的第一輸入端3a信號為1/2 Z-180° ,信號1/2 Z-180°經過第三定向率禹合器3後,第三定向I禹合器3的第一輸出端3d、第二輸出端3c信號分別為1/4 Z -180°、1/4 Z-270°，1/4Ζ-270°經過第二固定移相器5後，第二輸出埠 out2的信號為1/4 Z -360°。第二輸入埠 in2到第二輸出埠 out2的信號為信號1/12 Z -90°與信號1/4 Z -360°的矢量疊加，為1/3 Z -30° ;第二輸入埠 in2到第二輸出埠 out3的信號為信號1/12 Z-90°與信號1/4 Z-180°的矢量疊加，為1/3 Z-150° ;因此，若從第二輸入埠 in2輸入信號後，則第一輸出埠 outl、第二輸出埠 out2、第三輸出埠 out3的信號分別為1/3 Z-270°、l/3Z-30° ,1/3 Z -150°，即當從第二輸入埠 in2饋電時，第一至三輸出埠的信號等幅相等，相鄰輸出埠的分配功率相位差為-120°。
[0052]射頻信號若從第三輸入埠 in3輸入,信號首先經過第一定向f禹合器I後分出兩路信號，第一輸出端Id信號為1/2 Z 0° ,第二輸出端Ic信號為1/2 Z-90° ,其中信號1/2 Z-90°流向第二定向I禹合器2,信號1/2 Z 0°流向第一固定移相器4。信號1/2 Z -90°經過第二定向I禹合器2後,第二定向I禹合器2的第一輸出端2d、第二輸出端2c信號分別為1/6 Z-90° U/3 Z -180°，其中信號1/6 Z-90°流向第三定向耦合器3，信號1/3 Z-180°流向第三固定移相器6，其中信號1/6 Z-90°經過第三定向耦合器3後,第三定向I禹合器3的第一輸出端3d、第二輸出端3c的信號分別為1/12 Z -180°、1/12 Z-90°，信號1/12 Z-90°再經過第二固定移相器5後，第二輸出埠 out2的信號為1/12 Z-180°，其中信號1/3 Z-180°經過第三固定移相器6後，第一輸出埠 outl的信號為1/3 Z-360° ;信號1/2 Z 0°經過第一固定移相器4後,第三定向f禹合器3的第一輸入端3a信號為1/2 Z-90°，信號1/2 Z-90°經過第三定向耦合器3後，第三定向耦合器3的第一輸出端3d、第二輸出端3c信號分別為1/4 Z-90° U/4 Z-180°，1/4 Z-180°經過第二固定移相器5後，第二輸出埠 out2的信號為1/4 Z-270°。第三輸入埠in3到第二輸出埠 out2信號為信號1/12 Z -180°與信號1/4 Z -270°的矢量疊加，為1/3 Z -240° ;第三輸入埠 in3到第三輸出埠 out3的信號為信號1/12 Z -180°與信號1/4 Z-90°的矢量疊加，為1/3 Z-120° ;因此，若從第三輸入埠 in3輸入信號後，則第一輸出埠 outl、第三輸出埠 out2、第三輸出埠 out3的信號分別為1/3 Z -360°、1/3Z-240。、1/3Z-120°，即當從第三輸入埠 in3饋電時，第一至三輸出埠的信號等幅相等，相鄰輸出埠的分配功率相位差為+120°。
[0053]圖4至圖5為本實用新型實施例的IE3D仿真結果，埠 1、2、3分別對應第一輸入埠 in1、第二輸入埠 in2、第三輸入埠 in3，埠 4、5、6分別對應第一輸出埠 outl、第三輸出埠 out2、第三輸出埠 out3。從圖中可以看到，第一輸入埠 in1、第二輸入埠 in2、第三輸入埠 in3三波束埠的回波損耗在寬頻頻段1710_217MHz內都在_23dB以下，第一至三輸入埠之間的隔離度在工作頻率範圍內均大於26dB。當從第一輸入埠 ini輸入時，第一至三輸出埠的相鄰輸出埠在工作頻段內的相位差在0° ±1°範圍內，幅度都在-5.0±0.4dB範圍內，損耗小於0.3dB ;當從第二輸入埠 in2輸入時，第一至三輸出埠的相鄰輸出埠在工作頻段內的相位差在-120° ±4°範圍內，幅度都在-5.0±0.2dB範圍內，損耗小於0.3dB ;當從第三輸入埠 in3輸入時，第一至三輸出埠的相鄰輸出埠在工作頻段內的相位差在120° ±2°範圍內，幅度都在_5.05±0.4dB範圍內，損耗小於0.3dB。
[0054]本實用新型實施例提供的一種3X3Butler矩陣的輸出埠可以連接3個天線陣列，在三個輸入埠分別生成3個不同指向的波束。
[0055]實施例二
[0056]請參照圖6和圖7，本實用新型實施例提供的一種5X6Butler矩陣由第四定向耦合器1、第五定向稱合器2、功分器3、第一 3X3Butler矩陣4、第二 3X3Butler矩陣5、第四固定移相器6和第五固定移相器7組成；其中，每個定向耦合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；所述5X6巴特勒矩陣有5個信號輸入埠，分別為第一輸入埠 in1、第二輸入埠 in2、第三輸入埠 in3、第四輸入埠 in4、第五輸入埠 in5，有6個輸出埠，分別為第一輸出埠 outl、第二輸出埠out2、第三輸出埠 out3、第四輸出埠 out4、第五輸出埠 out5、第六輸出埠 out6。所述功分器3具有輸入端3a、第一輸出端3c和第二輸出端3b。
[0057]本實用新型實施例中各部件的連接關係如圖6所示，所述功分器3的輸入端3a連接到5X6Butler矩陣的第一輸入埠 inl，功分器3的第二輸出端3b連接到第二3X3Butler矩陣5的第一輸入埠 5c，功分器3的第一輸出端3c連接到第一 3 X 3Butler矩陣4的第一輸入埠 4c ;所述第五定向稱合器2的第二輸入端2b連接到5X6Butler矩陣的第二輸入埠 in2，第一輸入端2a連接到5X6Butler矩陣的第三輸入埠 in3，第二輸出端2c連接到第二 3X3Butler矩陣5的第二輸入埠 5b,第一輸出端2d通過第五固定移相器7連接到第一 3 X 3Butler矩陣4的第二輸入埠 4b ;所述第四定向耦合器I的第二輸入端Ib連接到5X6Butler矩陣的第四輸入埠 in4，第一輸入端Ia連接到5X6Butler矩陣的第五輸入埠 in5，第二輸出端Ic連接到第二 3X3Butler矩陣5的第三輸入埠5a,第一輸出端Id通過第四固定移相器6連接到第一 3X3Butler矩陣4的第三輸入埠4a;所述第二 3X3Butler矩陣5的第一輸出埠 5d、第二輸出埠 5e和第三輸出埠 5f分別連接到5X6Butler矩陣的第一輸出埠 outl、第五輸出埠 out5和第三輸出埠out3，第一3X3Butler矩陣4的第一輸出埠 4d、第二輸出埠 4e和第三輸出埠 4f分別連接到5X6Butler矩陣的第二輸出埠 out2、第六輸出埠 out6和第四輸出埠 out4。
[0058]具體地，第四定向耦合器I和第五定向耦合器2均為具有90度移相特性的等功率分配定向I禹合器，其工作原理與實施例一中的第一定向I禹合器和第三定向I禹合器相同，在此不再贅述。
[0059]由於本實用新型實施例採用了實施例一中提供的3X3Butler矩陣，為免示意圖過於複雜，圖7省略了第一 3X3Butler矩陣4和第二 3X3Butler矩陣5，僅示出了圖6中的節點a、b、C、d、e、f以下部分的結構。具體地，在本實用新型實施例中，第四定向耦合器I和第五定向稱合器2都採用寬頻分支線稱合器(branch line coupler)結構來實現。與實施例一中的第一至三定向I禹合器的結構相同，所述第四定向I禹合器I和第五定向I禹合器2的結構的形狀也呈「日」字型，其中左下角和右下角的兩個節點分別為第一輸入端和第二輸入端,左上角和右上角的兩個節點分別為第一輸出端和第二輸出端。
[0060]所述功分器3為等功率、等相位功分器，即當信號從功分器3的輸入端3a饋電時，功分器3的第一輸出端3c和第二輸出端3b信號相位相等，幅度相同。在本實用新型實施例中，功分器3採用3dB威爾金森(Wilkinson)功分器結構來實現。
[0061]進一步地，所述第四固定移相器6為30°超前移相器，位於第四定向耦合器I的第一輸出端Id和第一 3X3Butler矩陣4的第三輸入埠 4a之間；第五固定移相器7為150°超前移相器,位於第五定向I禹合器2的第一輸出端2d和第一 3X3Butler矩陣4的第二輸入埠 4b之間。
[0062]為了實現移相器的寬頻特性，在本實用新型實施例中，由於第四、第五固定移相器的結構相似，原理相同，在此僅以第四固定移相器6為例，分析其結構和原理，請參照圖8。第四固定移相器6由3段傳輸線組成,分別為ld-6a、6a-f、6a_6b段傳輸線，其中ld_6a和6a-f段的傳輸線的線寬(阻抗)相同，電長度相同，都為1/4λ(λ為移相器工作頻段的中心頻率)，6a-6b段為並聯加載的1/4λ短路傳輸線，終端通過導電孔6s與地板(未畫出)短路。首先通過調節lc-e段傳輸線的長度，可以使ld-f段傳輸線在中心頻率的傳輸相位相對lc-e段傳輸線的傳輸相位超前30°，再通過調節ld-f和6a_6b段傳輸線的寬度(阻抗)改變ld-f段傳輸線在整個頻段內的傳輸相位相對lc-e段傳輸線的超前相位數值，通過選擇合適的ld-f和6a-6b段傳輸線線寬(阻抗)，可以使ld-f段傳輸線在整個工作頻段的傳輸相位相對lc-e段傳輸線超前30° ,誤差在±1°以內。
[0063]第一 3X3Butler矩陣4和第二 3X3Butler矩陣5的具體結構與實施例一中提供的結構相同，在此不再贅述。
[0064]進一步地，在本實用新型實施例中，節點a、b、C、d、e、f與第一 3X3Butler矩陣4的第一至三輸入埠和第二 3X3Butler矩陣5的第一至三輸入埠之間用相同長度的50歐姆電纜連接(未畫出)。
[0065]本實用新型實施例的工作原理如下:
[0066]射頻信號若從第一輸入埠 ini輸入,信號首先經過功分器3後分出兩路信號，功分器3的第一輸出端3c信號為1/2 Z0°,流向第一 3X3Butler矩陣4,經過第一3 X 3ButIer矩陣4後，5 X 6ButIer矩陣的第二輸出埠 out2、第四輸出埠 out4、第六輸出埠 out6的信號分別為1/6Z0° U/6Z00 U/6Z00 ;功分器3的第二輸出端3b信號為 1/2 Z 0°，流向第二 3X3Butler 矩陣 5，經過第二 3X3Butler 矩陣 5 後，5X6Butler 矩陣的第一輸出埠 outl、第三輸出埠 out3、第五輸出埠 out5的信號分別為1/6 Z 0°、1/6 Z 0° >1/6 Z 0°。因此,若從第一輸入埠 ini輸入信號後,貝U第一至六輸出埠的信號分別為 1/6 Z 0° ,1/6 ZO0 ,1/6 ZO0 ,1/6 ZO0 ,1/6 ZO0 ,1/6 Z 0°，相鄰輸出埠的分配功率幅度相同，為1`/6，相鄰輸出埠的分配功率相位差為0°。
[0067]射頻信號若從第二輸入埠 in2輸入,信號首先經過第五定向f禹合器2和第五固定移相器7後分出兩路信號，第五定向I禹合器2的第一輸出端2d信號為1/2 Z -90° ,通過第五固定功分器7後信號為Z +60° ,流向第一 3X3Butler矩陣4,經過第一 3X3Butler矩陣4後，5X6Butler矩陣的第二輸出埠 out2、第六輸出埠 out6、第四輸出埠 out4的信號分別為1/6 Z+60° U/6 Z -60° U/6 Z -180° ;第五定向耦合器2的第二輸出端2c信號為1/2 ZO0，流向第二 3X3Butler矩陣5，經過第二 3X3Butler矩陣5後，5\681^161'矩陣的第一輸出埠0此1、第五輸出埠0此5、第三輸出埠0此3的信號分別為1/6Z0。,1/6 Z -120°、1/6Z_240°。因此，若從第二輸入埠 in2輸入信號後，則第一至六輸出埠的信號分別為 1/6 Z 0° ,1/6 Z +60°、1/6Ζ-240°、1/6Z_180°、1/6 Z-120°、1/6 Z-60°，相鄰輸出埠的分配功率幅度相同，為1/6，相鄰輸出埠的分配功率相位差為+60°。
[0068]射頻信號若從第三輸入埠 in3輸入,信號首先經過第五定向稱合器2和第五固定移相器7後分出兩路信號，第五定向I禹合器2的第一輸出端2d信號為1/2 Z 0° ,通過第五固定功分器7後信號為Z +150° ,流向第一 3X3Butler矩陣4,經過第一 3X3Butler矩陣4後，5X6Butler矩陣的第二輸出埠 out2、第六輸出埠 out6、第四輸出埠 out4的信號分別為1/6 Z+150°、1/6 Z+30° >1/6 Z -90° ;第五定向I禹合器2的第二輸出端2c信號為1/2 Z -90°，流向第二 3X3Butler矩陣5，經過第二 3X3Butler矩陣5後，5\681^161'矩陣的第一輸出埠0此1、第五輸出埠0此5、第三輸出埠0此3的信號分別為1/6 ∠-90°、1/6∠_210°、1/6 ∠-330°。因此，若從第三輸入埠 in3輸入信號後，則第一至六輸出埠的信號分別為 1/6 ∠-90° ,1/6 ∠+150° ,1/6 ∠-330° ,1/6 ∠-90°、1/6 ∠-210°、1/6 ∠+30°，相鄰輸出埠的分配功率幅度相同，為1/6，相鄰輸出埠的分配功率相位差為-120°。
[0069]射頻信號若從第四輸入埠 in4輸入，信號首先經過第四定向耦合器I和第四固定移相器6後分出兩路信號,第四定向f禹合器I的第一輸出端Id信號為1/2 ∠ -90° ,通過第四固定功分器6後信號為∠ -60°，流向第一 3X3Butler矩陣4，經過第一 3X3Butler矩陣4後，5X6Butler矩陣的第二輸出埠 out2、第六輸出埠 out6、第四輸出埠 out4的信號分別為1/6 ∠-60° U/6 ∠ +60° U/6 ∠ +180° ;第四定向耦合器I的第二輸出端Ic信號為1/2 ∠O0，流向第二 3X3Butler矩陣5，經過第二 3X3Butler矩陣5後，5\681^161'矩陣的第一輸出埠0此1、第五輸出埠0此5、第三輸出埠0此3的信號分別為1/6 ∠ 0°、1/6∠+120°、1/6Ζ+240°。因此，若從第四輸入埠 in4輸入信號後，則第一至六輸出埠的信號分別為 1/6 ∠ 0° ,1/6 ∠ -60°、1/6Ζ+240°、1/6∠+180°、1/6 ∠+120° U/6∠+600，相鄰輸出埠的分配功率幅度相同，為1/6，相鄰輸出埠的分配功率相位差為-60°。
[0070]射頻信號若從第五輸入埠 in5輸入，信號首先經過第四定向耦合器I和第四固定移相器6後分出兩路信號,第四定向I禹合器I的第一輸出端Id信號為1/2 ∠ 0° ,通過第四固定功分器6後信號為∠ +30°，流向第一 3 X 3Butler矩陣4，經過第一 3 X 3Butler矩陣4後，5X6Butler矩陣的第二輸出埠 out2、第六輸出埠 out6、第四輸出埠 out4的信號分別為1/6 ∠+30°、1/6∠+150°、1/6Ζ+270° ;第四定向耦合器I的第二輸出端Ic信號為1/2 ∠-90°，流向第二 3X3Butler矩陣5，經過第二 3X3Butler矩陣5後，5\681^161'矩陣的第一輸出埠0此1、第五輸出埠0此5、第三輸出埠0此3的信號分別為1/6∠-90。,1/6 ∠+30°、1/6∠+150°。因此，若從第五輸入埠 in5輸入信號後，則第一至六輸出埠的信號分別為 1/6 ∠-90° ,1/6 ∠+30°、1/6 ∠+150°、1/6 ∠+270°、1/6 ∠+30°、1/6 ∠+150°，相鄰輸出埠的分配功率幅度相同，為1/6，相鄰輸出埠的分配功率相位差為+120°。
[0071]圖9至圖11為本實用新型實施例的IE3D仿真結果,仿真過程中,節點a、b、c、d、e、f與第一 3X3Butler矩陣4的第一至三輸入埠和第二 3X3Butler矩陣5的第一至三輸入埠之間的電纜用50歐姆的傳輸線代替，埠 1、2、3、4、5分別對應第一至五輸入埠，埠 6、7、8、9、10、11分別對應第一至六輸出埠。從圖中可以看到，第一至五輸入埠的五波束埠的回波損耗在寬頻頻段1710-217MH∠內都在_22dB以下，第一至五輸入埠之間的隔離度在工作頻率範圍內均大於22dB。當從第一輸入埠 inl輸入信號時，第一至六輸出埠中的相鄰埠在工作頻段內的相位差在0° ±2°範圍內，幅度都在-8.1±0.5dB範圍內，損耗小於0.5dB ;當從第二輸入埠 in2輸入信號時,第一至六輸出埠中的相鄰埠在工作頻段內的相位差在+60° ±4.5°範圍內，幅度都在-8.15±0.22dB範圍內，損耗小於0.5dB ；當從第三輸入埠 in3輸入信號時，第一至六輸出埠中的相鄰埠在工作頻段內的相位差在-120° ±2°範圍內，幅度都在-8.16±0.2dB範圍內，損耗小於0.5dB ;當從第四輸入埠 in4輸入信號時，第一至六輸出埠中的相鄰埠在工作頻段內的相位差在-60° ±2°範圍內，幅度都在_8.07±0.4dB範圍內，損耗小於0.5dB;當從第五輸入埠 in5輸入信號時，第一至六輸出埠中的相鄰埠在工作頻段內的相位差在+120° ±2°範圍內，幅度都在-8.22±0.52dB範圍內，損耗小於0.5dB。
[0072]本實用新型實施例提供的一種5X6Butler矩陣的輸出埠可以連接5個天線陣列，在五個輸入埠分別生成5個不同指向的波束。
[0073]以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本實用新型專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種3 X 3Butler矩陣,其特徵在於,包括第一定向f禹合器、第二定向f禹合器、第三定向率禹合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；其中，每個定向I禹合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端； 所述3 X 3Butler矩陣有三個輸入埠和三個輸出埠，分別為第一輸入埠、第二輸入埠、第三輸入埠、第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠 ； 所述第二定向耦合器的第二輸入端連接到第一輸入埠，所述第一定向耦合器的第二輸入端連接到第二輸入埠，第一定向稱合器的第一輸入端連接到第三輸入埠 ；第一定向率禹合器的第一輸出端通過第一固定移相器連接到第三定向I禹合器的第一輸入端，第一定向率禹合器的第二輸出端與第二定向I禹合器的第一輸入端連接，第二定向I禹合器的第一輸出端與第三定向I禹合器的第二輸入端連接，第二定向I禹合器的第二輸出端通過第三固定移相器連接到第一輸出埠，第三定向耦合器的第二輸出端通過第二固定移相器連接到第二輸出埠，第三定向耦合器的第一輸出端連接到第三輸出埠； 其中，所述第一固定移相器的傳輸相位相對於第二定向稱合器的第一輸入端到第一輸出端的傳輸相位延遲90度,所述第二固定移相器的傳輸相位相對於第三定向I禹合器的第一輸出端到第三輸出埠的傳輸相位延遲90度,所述第三固定移相器的傳輸相位相對於第二定向I禹合器的第一輸出端到第二輸出埠的傳輸相位延遲90度。
2.根據權利要求1所述的3X3Butler矩陣，其特徵在於，所述第一至三定向耦合器的第一輸入端與第一輸出端分布於同側，第二輸入端與第二輸出端分布於同側。
3.根據權利要求2所述的3X3Butler矩陣，其特徵在於，第一定向耦合器和第三定向耦合器為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率相等，分別是輸入信號功率的一半； 第二定向耦合器為具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率分別是輸入信號功率的`1/3和2/3 ； 當從第一、第二或第三定向耦合器的任何一個輸入端饋電時，其異側輸出端的傳輸相位比同側輸出端的傳輸相位延遲90度。
4.根據權利要求1所述的3X3Butler矩陣，其特徵在於，所述第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器為微帶結構或帶狀線結構。
5.根據權利要求4所述的3X3Butler矩陣，其特徵在於，所述第一至三定向耦合器為分支線耦合器或耦合線耦合器。
6.根據權利要求4所述的3X3Butler矩陣，其特徵在於，所述第一至三固定移相器的結構包括相互串聯的阻抗相同的兩段1/4 λ傳輸線和在這兩個傳輸線的中點處連接並聯加載的1/4λ短路傳輸線或1/2λ開路傳輸線，λ為固定移相器工作頻段的中心頻率。
7.一種5 X 6Butler矩陣，包括權利要求1至6任一所述的3 X 3Butler矩陣，其特徵在於，包括第一 3X3Butler矩陣、第二 3X3Butler矩陣、第四定向I禹合器、第五定向I禹合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器；其中，每個定向耦合器具有兩個輸入端和兩個輸出端，分別為第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；所述功分器具有輸入端、第一輸出端和第二輸出端； 所述5X6Butler矩陣有五個輸入埠和六個輸出埠，分別為第一至五輸入埠和第一至六輸出埠；所述功分器的輸入端連接到5X6Butler矩陣的第一輸入埠，功分器的第二輸出端連接到第二 3X 3Butler矩陣的第一輸入埠，功分器的第一輸出端連接到第一`3X3Butler矩陣的第一輸入埠 ；所述第五定向稱合器的第二輸入端連接到5X6Butler矩陣的第二輸入埠，第一輸入端連接到5 X 6Butler矩陣的第三輸入埠，第二輸出端連接到第二 3X3Butler矩陣的第二輸入埠，第一輸出端通過第五固定移相器連接到第一`3X3Butler矩陣的第二輸入埠 ；所述第四定向I禹合器的第二輸入端連接到5X6Butler矩陣的第四輸入埠，第一輸入端連接到5X6Butler矩陣的第五輸入埠，第二輸出端連接到第二 3X3Butler矩陣的第三輸入埠，第一輸出端通過第四固定移相器連接到第一`3 X 3Butler矩陣的第三輸入埠 ；所述第二 3 X 3Butler矩陣5的第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠分別連接到5X6Butler矩陣的第一輸出埠、第五輸出埠和第三輸出埠，第一 3 X 3Butler矩陣4的第一輸出埠、第二輸出埠和第三輸出埠分別連接到5X6Butler矩陣的第二輸出埠、第六輸出埠和第四輸出埠 ； 所述第四固定移相器為30°超前移相器，所述第五固定移相器為150°超前移相器。
8.根據權利要求7所述的5X6Butler矩陣，其特徵在於，所述第四定向耦合器和第五定向I禹合器的第一輸入端與第一輸出端分布於同側，第二輸入端與第二輸出端分布於同側； 所述第四定向耦合器和第五定向耦合器為具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器，其兩輸出端的分配功率相等，分別是輸入信號功率的一半； 當從第四或第五定向I禹合器的任何一個輸入端饋電時，其異側輸出端的傳輸相位比同側輸出端的傳輸相位延遲90度。
9.根據權利要求7所述的5X6Butler矩陣，其特徵在於，所述第四定向耦合器和第五定向耦合器為分支線耦合器或耦合線耦合器。
10.根據權利要求7所述的5X6Butler矩陣，其特徵在於，所述功分器為等功率、等相位功分器。
【文檔編號】H01Q3/40GK203386900SQ201320417565
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月12日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】吳壁群 申請人:廣東博緯通信科技有限公司