一种巴特勒矩阵结构的制作方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种巴特勒矩阵结构，结构简化并能降低插入损耗，提高传输效率。所述巴特勒矩阵结构包括：多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接，每一个输出端口与一天线阵列单元连接，其中，所述多个输出端口与所述天线阵列单元位于所述巴特勒矩阵的中间；所述天线阵列单元相邻天线相位相反。
【专利说明】一种巴特勒矩阵结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波天线工程【技术领域】，具体涉及一种巴特勒矩阵结构。
技术背景
[0002]巴特勒(Butler)矩阵的概念最早在1961年被提出。巴特勒矩阵可形成的每个波束都能获得整个天线面提供的增益，它是一种无损增益的多波束形成方法。由于所形成的多波束是正交的，这样对其他复杂天线的方向图的综合十分有利。同时，所形成的多波束既可以用于发射，也可以用于接收，并且可以用各种传输线实现，使得多波束收发天线共用有了可实现性。此外，巴特勒多波束阵列形成网络与其他多波束以及自适应波束形成方法相t匕，网络结构简单、成本低，易于实现宽频带，作为通信或雷达系统中的多波束天线的馈电网络具有很大的发展应用前景，也被广泛的应用到电子不停车收费系统、卫星通信及雷达系统中。
[0003]图1所示为现有技术所提供的一种传统巴特勒矩阵结构的示意图，该图以输入端口为4个，输出端口为8个为例说明传统巴特勒矩阵的结构。如图1所示，所有输入端口均位于输出端口的一侧，在这种情况下，需要使用16个定向f禹合器,18个移相器。同时,这种结构还使得在该巴特勒矩阵中存在很多交叉点。
[0004]随着应用平台的不断扩展，巴特勒矩阵端口的数目也不断增加，巴特勒矩阵的整体结构也愈加复杂，交叉点的个数也大幅上升，随之带来的插入损耗也随之上升。因此，发展出结构简单且插入损耗低的巴特勒矩阵结构是本领域的重要研究方向。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明实施例提供了一种巴特勒矩阵结构，结构简化，同时能够降低插入损耗，提高传输效率。
[0006]本发明实施例提供的一种巴特勒矩阵结构,包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向耦合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接，每一个输出端口与一天线阵列单元连接，其中，所述多个输出端口与所述天线阵列单元位于所述巴特勒矩阵的中间；所述天线阵列单元相邻天线相位相反。
[0007]其中，所述多个输入端口中的一半输入端口与另一半输入端口分别位于所述巴特勒矩阵的两侧。
[0008]其中，所述多个输入端口、所述多个输出端口、所述多个定向耦合器和所述多个移相器之间的连接方式为微带线连接。
[0009]其中，在电路制作中，所述巴特勒矩阵位于所述天线阵列单元的背面。
[0010]其中，所述多个输入端口接收射频信号；所述射频信号通过所述多个定向耦合器和多个移相器进行波束转换，再通过所述多个输出端口传输至所述天线阵列。
[0011]其中，所述输入端口的数量为4 ;所述输出端口的数量为8时，所述定向耦合器的数量为?ο ;所述移相器的数量为20。
[0012]利用本发明实施例公开的巴特勒矩阵结构，由于输出端口和与其连接的天线阵列单元位于所述巴特勒矩阵的中间；同时，该天线阵列单元相邻天线相位相反，使得对输出端口的信号要求产生改变，进而使得输入端口与输出端口之间所需要的定向耦合器比现有技术要少。所使用的定向耦合器少，通常输出端口结构的变化，在保持天线阵列为直线阵的情况下，极大地减少了电路结构交叉点的数量。由于交叉点数目的减少，降低了插入损耗，提高了传输效率。同时由于结构简化，使微带线在介质板上分布更加合理，具有一定的小型化特性，让更多端口的巴特勒矩阵的实际应用成为可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1所示为现有技术提供的一种传统巴特勒矩阵结构的示意图。
[0014]图2所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构的示意图。
[0015]图3所示为对本发明一实施例的巴特勒矩阵进行测试得到的天线波束方向图。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0017]本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构，其基本结构包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向I禹合器和多个移相器；该多个输入端口和多个输出端口之间通过该多个定向耦合器和该多个移相器组成的`网络互相连接，每个输出端口与一个天线阵列的单元连接。其中，该多个输出端口和与其相连的天线阵列单元位于该巴特勒矩阵的中间，并且该天线阵列单元中相邻天线相位相反。
[0018]进一步的，在本发明一实施例中，所述多个输入端口中的一半输入端口与另一半输入端口分别位于所述巴特勒矩阵的两侧。
[0019]图2所示为本发明一实施例提供的巴特勒矩阵结构的示意图。同样以4个输入端口和8个输出端口为例为说明本发明实施例的巴特勒矩阵。如图2所示，8个输出端口(41、42、43、44、45、46、47、48)与 8 个天线阵列单元(51、52、53、54、55、56、57、58)呈直线连接，均位于巴特勒矩阵的中间，其中，序号为偶数的天线阵列单元(52，54，56，58)和序号为奇数的天线阵列单元(51，53，55，57 )相位相反，这样，省略了 4路信号在输出端口前的相位变化过程，这样既可减少了 4个定向耦合器的使用。另外，输入端口 11、12位于8个输出端口的上侦牝输入端口 13、14位于8个输出端口的下侧；并且输入端口 11、12与输入端口 13、14的信号输入方向相反，这样就减少了 2个定向耦合器的使用。这样，4个输入端口与8个输出端口之间仅需10个定向耦合器，如图示的定向耦合器(201~210);4个输入端口与8个输出端口之间移相器数量为20个，如图示的移相器(301~320)。
[0020]同时，由于图2所示的结构，使得该巴特勒矩阵的交叉点大幅降低，进而降低了插入损耗。
[0021]利用本发明实施例提供的巴特勒矩阵以及与其相连的天线阵列，可以形成4个指向不同的波束。
[0022]以上例子中仅以4个输入端口、8个输出端口为例进行说明。在实际应用中，可以根据需要改变输入端口和输出端口的数量，但基本原则不变。即，输出端口和与其连接的天线阵列位于巴特勒矩阵中间，并且相邻天线阵列到单元相位相反；进一步的，多个输入端口中的一半输入端口与另一半输入端口分别位于巴特勒矩阵的两侧，这样两侧输入端口所输入的信号相位相差180°。定向耦合器的数量以及移相器的数量可以依据要求而定。由于定向耦合器根据其衰减情况和耦合度可分为不同型号，移相器根据其所能实现的相位变化也分为不同型号，因此根据输出信号的数量要求以及相位要求，根据一定的算法来确定定向耦合器以及移相器的数量。比如，可以通过基于付立叶变换(FFT)算法的设计公式，直接确定矩阵中的发生的相移位置和数值，同时考虑保持信号流程图的拓扑学特性。
[0023]在本发明一实施例中，天线阵列(如图1所示的天线阵列的单元(51、52、53、54、55、56、57、58))可以置于巴特勒矩阵结构的馈电网络的背面，这样进一步减小了采用巴特勒矩阵结构的馈电网络的尺寸，满足了现今社会对电子通信设备小型化的需求。
[0024]下面以实际测量数据证明本发明实施例的有益效果。利用已经设计好的0dB、3dB、5dB、9dB定向耦合器以及各种角度的移相器搭建如图2的巴特勒矩阵，并采用CST (CSTMICROWAVE STUDIO)电磁仿真软件对该巴特勒矩阵结构进行建模，并进行仿真测试，得到四个波束(右1、左2、右2、左I)。该四个波束的波束方向图如图3所示，从图中可以看出每个波束均满足了波束指向的要求。其幅度以及相位结果下表所示:
【权利要求】
1.一种巴特勒矩阵结构，包括多个输入端口、多个输出端口、多个定向I禹合器和多个移相器，所述多个输入端口和所述多个输出端口之间通过所述多个定向耦合器和所述多个移相器组成的网络互相连接，每一个输出端口与一天线阵列单元连接，其特征在于:所述多个输出端口与所述天线阵列单元位于所述巴特勒矩阵的中间；所述天线阵列单元相邻天线相位相反。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述多个输入端口中的一半输入端口与另一半输入端口分别位于所述巴特勒矩阵的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述多个输入端口、所述多个输出端口、所述多个定向耦合器和所述多个移相器之间的连接方式为微带线连接。
4.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，在电路制作中，所述巴特勒矩阵位于所述天线阵列单元的背面。
5.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述多个输入端口接收射频信号；所述射频信号通过所述多个定向耦合器和多个移相器进行波束转换，再通过所述多个输出端口传输至所述天线阵列。
6.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述输入端口的数量为4;所述输出端口的数量为8时，所述定向耦合器的数量为10 ;所述移相器的数量为20。
【文档编号】H01Q21/00GK103594801SQ201310593646
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】王金龙, 冯春楠, 傅佳辉 申请人:天津中兴智联科技有限公司