本发明涉及微带线形式巴特勒矩阵的技术领域，具体涉及一种具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵。
背景技术
由于近年来无线通信的高速发展，无论是3g技术的普及、物联网的火热还是4g的到来，都标志着无线技术又将迎来一个蓬勃发展的高峰期。另一方面，随着电子信息的迅猛发展，人们对于通信质量的要求越来越高，多径衰落和信道间的干扰等问题也愈发显得重要。目前解决这些问题的主要技术是利用波束切换智能天线，而巴特勒矩阵作为组成波束切换智能天线的重要部分，能够实现波束形成网络，因此也成为了近些年的研究热点之一。同时，在实际应用中，为了抑制传输信号的寄生频率和放大器的互调干扰，通常还需要级联一个带通滤波器，这将会造成电路尺寸的加大。如果能够将巴特勒矩阵和带通滤波特性集成在一个结构中，必定能大大减小电路的尺寸，这也符合设备小型化的趋势。
目前巴特勒矩阵比较常用也比较方便的结构是在输入端口和输出端口之间交叉级联3db耦合器和特定角度的移相器，使巴特勒矩阵的性能能达到预期的指标。
2013年，o.m.haraz等人在"ieeeinternationalconferenceonultra-wideband"上发表题为"two-layerbutterfly-shapedmicrostrip4×4butlermatrixforultra-widebandbeam-formingapplications"，采用双层微带线结构，实现了耦合器和移相器的交叉互联，形成一个4×4的巴特勒矩阵。该结构如附图1所示。
2013年，tong-honglin等人在"ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques"上发表题为"bandwidthenhancementof4×4butlermatrixusingbroadbandforward-wavedirectionalcouplerandphasedifferencecompensation"，采用双层板结构，分别利用前向波直接耦合和相位差异补偿技术实现耦合器和移相器，形成一个4×4的巴特勒矩阵。该结构如附图2所示。
2015年，m.j.lancaster等人在"ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques"上发表题为"advancedbutlermatriceswithintegratedbandpassfilterfunctions"，采用腔体谐振器来实现带通滤波特性，利用腔体谐振器之间的耦合实现相移，形成一个2×2带滤波特性的巴特勒矩阵。该结构如附图3所示。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩，该巴特勒矩阵采用的是在输入端口和输出端口之间级联谐振器单元的结构，并且通过谐振器单元间的电耦合和磁耦合的组合，来实现输出信号相位差为0°或180°，从而省略了移相器结构，减小了电路的尺寸，同时级联的谐振器单元能够实现良好的带通滤波特性。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵，以印刷电路板的方式制作在介质基板1上，所述介质基板1的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的第一输入端馈线头p1和第二输入端馈线头p2，用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5、第四输出端馈线头p6、第五输出端馈线头p7和第六输出端馈线头p8，与所述第一输入端馈线头p1相连的第一端口馈线2，与所述第二输入端馈线头p2相连的第二端口馈线3，与所述第一输出端馈线头p3相连的第三端口馈线4，与所述第二输出端馈线头p4相连的第四端口馈线5，与所述第三输出端馈线头p5相连的第五端口馈线6，与所述第四输出端馈线头p6相连的第六端口馈线7，与所述第五输出端馈线头p7相连的第七端口馈线8，与所述第六输出端馈线头p8相连的第八端口馈线9；
所述第一谐振器11与第四谐振器12、所述第三谐振器10与第二谐振器13左右平行设置；所述第五谐振器15与第八谐振器16、所述第七谐振器14与第六谐振器17左右平行设置；所述第九谐振器19与第十二谐振器20、所述第十一谐振器18与第十谐振器21左右平行设置；
所述第一谐振器11与第四谐振器12、所述第三谐振器10与第二谐振器13上下平行设置；所述第五谐振器15与第八谐振器16、所述第七谐振器14与第六谐振器17上下平行设置；所述第九谐振器19与第十二谐振器20、所述第十一谐振器18与第十谐振器21上下平行设置；
所述第一端口馈线2与第二端口馈线3分别位于所述第三谐振器10与第四谐振器12的下侧和右侧，并且所述第一端口馈线2与第二端口馈线3垂直设置；
所述第三端口馈线4与第五端口馈线6分别位于所述第七谐振器14与第八谐振器16的下侧和右侧，并且所述第三端口馈线4与第五端口馈线6垂直设置；
所述第四端口馈线5与第六端口馈线7分别位于所述第九谐振器19与第十谐振器21的上侧和左侧，并且所述第四端口馈线5与第六端口馈线7垂直设置；
所述第七端口馈线8和第八端口馈线9分别位于所述第十二谐振器20和第六谐振器17的左侧和右侧，并且所述第七端口馈线8与第八端口馈线9平行设置。
进一步地，所述第一谐振器11、第四谐振器12、第三谐振器10、第二谐振器13、第五谐振器15、第八谐振器16、第七谐振器14、第六谐振器17、第九谐振器19、第十二谐振器20、第十一谐振器18、第十谐振器21均为半波长均匀阻抗谐振器。
进一步地，所述第一谐振器11与第三谐振器10为上下对称设置的j型谐振器，其中，所述第一谐振器11和第三谐振器10的开口方向均为左方；
所述第四谐振器12与第二谐振器13为上下对称设置的u型谐振器，其中，所述第四谐振器12的开口方向为上方，所述第二谐振器13的开口方向为下方；
所述第五谐振器15与第七谐振器14为上下对称设置的j型谐振器，其中，所述第五谐振器15和第七谐振器14的开口方向均为左方；
所述第八谐振器16与第六谐振器17为上下对称设置的u型谐振器，其中，所述第八谐振器16的开口方向为上方，所述第六谐振器17的开口方向为下方；
所述第九谐振器19与第十一谐振器18为上下对称设置的j型谐振器，其中，所述第九谐振器19和第十一谐振器18的开口方向均为右方；
所述第十二谐振器20与所述第十谐振器21为上下对称设置的u型谐振器，其中，所述第十二谐振器20的开口方向为上方，所述第十谐振器21的开口方向为下方。
进一步地，所述第一谐振器11与第三谐振器10、所述第一谐振器11与第四谐振器12、所述第三谐振器10与第二谐振器13之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙22、第二耦合间隙24、第三耦合间隙23的大小控制电耦合的大小；所述第二谐振器13与第四谐振器12之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第四耦合间隙25的大小控制磁耦合的大小。
进一步地，所述第五谐振器15与第七谐振器14、所述第五谐振器15与第八谐振器16、所述第七谐振器14与第六谐振器17之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第五耦合间隙26、第六耦合间隙(28)、第七耦合间隙27的大小控制电耦合的大小；所述第六谐振器17与第八谐振器16之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第八耦合间隙29的大小控制磁耦合的大小。
进一步地，所述第九谐振器19与第十一谐振器18、所述第九谐振器19与第十二谐振器20、所述第十一谐振器18与第十谐振器21之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第九耦合间隙30、第十耦合间隙32、第十一耦合间隙31的大小控制电耦合的大小；所述第十谐振器21与第十二谐振器20之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第十二耦合间隙33的大小控制磁耦合的大小。
进一步地，所述第十一谐振器18与第一谐振器11、所述第二谐振器13与第五谐振器15之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第十三耦合间隙34、第十四耦合间隙35的大小控制电耦合的大小。
进一步地，当从所述第一输入端馈线头p1或者所述第二输入端馈线头p2输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5和第四输出端馈线头p6输出的信号具有完全相同的四阶滤波特性，同时另一个输入馈线头和所述第五输出端馈线头p7、第六输出端馈线头p8处于隔离状态；
所述第一输入端馈线头p1输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5、第四输出端馈线头p6输出的信号在滤波器通带内相位和幅值相等；
所述第二输入端馈线头p2输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5、第四输出端馈线头p6输出的信号幅值相等，相位相差180°。
进一步地，第一谐振器11、第四谐振器12、第三谐振器10和第二谐振器13组成第一180°耦合器，同理第五谐振器15、第八谐振器16、第七谐振器14和第六谐振器17组成第二180°耦合器、第九谐振器19、第十二谐振器20、第十一谐振器18和第十谐振器21组成第三180°耦合器。第一180°耦合器和第二180°耦合器通过第二谐振器13与第五谐振器15之间的电耦合连接；第一180°耦合器和第三180°耦合器通过第十一谐振器18与第一谐振器11之间的电耦合连接；根据巴特勒矩阵的设计知识，三个180°耦合器的级联可以实现2×4巴特勒矩阵。
进一步地，所述第一输入端馈线头p1与所述第一端口馈线2的一端垂直连接，所述第二输入端馈线头p2与所述第二端口馈线3的一端垂直连接，所述第一输出端馈线头p3与所述第三端口馈线4的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头p4与所述第四端口馈线5的一端垂直连接，所述第三输出端馈线头p5与所述第五端口馈线6的一端垂直连接，所述第四输出端馈线头p6与所述第六端口馈线7的一端垂直连接，所述第五输出端馈线头p7与所述第七端口馈线8的一端垂直连接，所述第六输出端馈线头p8与所述第八端口馈线9的一端垂直连接。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明使用谐振器单元实现了180°耦合器，结构简单，而且实现了带通滤波特性。
2、本发明通过电耦合和磁耦合的路径组合来产生相移，不仅省掉了移相器的使用，也保证了较好的隔离度，电路尺寸大大减小。
3、由于巴特勒矩阵为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以巴特勒矩阵具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。
附图说明
图1是现有技术1中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
图2是现有技术2中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
图3是现有技术3中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
图4是本发明提出的具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵的结构示意图；
图5是本发明提出的具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵的结构尺寸示意图；
图6(a)是从p1端口输入信号p3端口输出时2×4巴特勒矩阵的散射参数仿真结果和实测结果图；
图6(b)是从p2端口输入信号p3端口输出时2×4巴特勒矩阵的散射参数仿真结果和实测结果图；
图7(a)是本发明提出的具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵的从p1端口输入信号p3端口，p4端口，p5端口，p6端口的输出信号相位差示意图；
图7(b)是本发明提出的具有带通滤波特性的微带线2×4巴特勒矩阵的从p2端口输入信号p3端口，p4端口，p5端口，p6端口的输出信号相位差示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
实施例
本实施例公开一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵如图4所示，该微带线巴特勒矩阵以印刷电路板的方式制作在介质基板1上，该介质基板1为双面覆铜微带板，该微带板的其中一面是覆铜接地板。在本发明中的巴特勒矩阵的结构图中。
所述介质基板1的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的第一输入端馈线头p1(p1端口)和第二输入端馈线头p2(p2端口)，用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头p3(p3端口)、第二输出端馈线头p4(p4端口)、第三输出端馈线头p5(p5端口)、第四输出端馈线头p6(p6端口)、第五输出端馈线头p7(p7端口)和第六输出端馈线头p8(p8端口)，与所述第一输入端馈线头p1相连的第一端口馈线2、与所述第二输入端馈线头p2相连的第二端口馈线3、与所述第一输出端馈线头p3相连的第三端口馈线4、与所述第二输出端馈线头p4相连的第四端口馈线5、与所述第三输出端馈线头p5相连的第五端口馈线6、与所述第四输出端馈线头p6相连的第六端口馈线7、与所述第五输出端馈线头p7相连的第七端口馈线8、与所述第六输出端馈线头p8相连的第八端口馈线9；
第一谐振器11与第四谐振器12、第三谐振器10与第二谐振器13左右平行设置；第五谐振器15与第八谐振器16、第七谐振器14与第六谐振器17左右平行设置；第九谐振器19与第十二谐振器20、第十一谐振器18与第十谐振器21左右平行设置；第一谐振器11与第四谐振器12、第三谐振器10与第二谐振器13上下平行设置；第五谐振器15与第八谐振器16、第七谐振器14与第六谐振器17上下平行设置；第九谐振器19与第十二谐振器20、第十一谐振器18与第十谐振器21上下平行设置；
第一端口馈线2和第二端口馈线3分别位于第三谐振器10和第四谐振器12的下侧和右侧，并且第一端口馈线2和第二端口馈线3垂直设置；第三端口馈线4和第五端口馈线6分别位于第七谐振器14和第八谐振器16的下侧和右侧，并且第三端口馈线4和第五端口馈线6垂直设置；第四端口馈线5和第六端口馈线7分别位于第九谐振器19和第十谐振器21的上侧和左侧，并且第四端口馈线5和第六端口馈线7垂直设置；第七端口馈线8和第八端口馈线9分别位于第十二谐振器20和第六谐振器17的左侧和右侧，并且第七端口馈线8和第八端口馈线9平行设置；
其中，第一谐振器11、第四谐振器12、第三谐振器10、第二谐振器13、第五谐振器15、第八谐振器16、第七谐振器14、第六谐振器17、第九谐振器19、第十二谐振器20、第十一谐振器18和第十谐振器21均为半波长均匀阻抗谐振器。
其中，第一谐振器11与第三谐振器10为上下对称设置的j型谐振器，其中，第一谐振器11和第三谐振器10的开口方向均为左方。第四谐振器12与所述第二谐振器13为上下对称设置的u型谐振器，其中，第四谐振器12的开口方向为上方，第二谐振器13的开口方向为下方。
其中，第五谐振器15与第七谐振器14为上下对称设置的j型谐振器，其中，第五谐振器15和第七谐振器14的开口方向均为左方。第八谐振器16与第六谐振器17为上下对称设置的u型谐振器，其中，第八谐振器16的开口方向为上方，第六谐振器17的开口方向为下方。
其中，第九谐振器19与第十一谐振器18为上下对称设置的j型谐振器，其中，第九谐振器19和第十一谐振器18的开口方向均为右方。第十二谐振器20与第十谐振器21为上下对称设置的u型谐振器，其中，第十二谐振器20的开口方向为上方，第十谐振器21的开口方向为下方。
带通滤波器的外部品质因素可以通过改变馈线的长度、馈线和谐振器间的耦合调节。第一谐振器11与第三谐振器10、第一谐振器11与第四谐振器12、第三谐振器10与第二谐振器13之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙22、第二耦合间隙24、第三耦合间隙23的大小控制电耦合的大小；第二谐振器13与第四谐振器12之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第四耦合间隙25的大小控制磁耦合的大小。
第五谐振器15与第七谐振器14、第五谐振器15与第八谐振器16、第七谐振器14与第六谐振器17之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第五耦合间隙26、第六耦合间隙28、第七耦合间隙27的大小控制电耦合的大小；第六谐振器17与第八谐振器16之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第八耦合间隙29的大小控制磁耦合的大小。
第九谐振器19与第十一谐振器18、第九谐振器19与第十二谐振器20、第十一谐振器19与第十谐振器21之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第九耦合间隙30、第十耦合间隙32、第十一耦合间隙31的大小控制电耦合的大小；第十谐振器21与第十二谐振器20之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第十二耦合间隙33的大小控制磁耦合的大小。
第十一谐振器18与第一谐振器11、第二谐振器13与第五谐振器15之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第十三耦合间隙34、第十四耦合间隙35的大小控制电耦合的大小。
第一输入端馈线头p1输入电磁波信号时，第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5、第四输出端馈线头p6输出的信号在滤波器通带内相位和幅值相等。
第二输入端馈线头p2输入电磁波信号时，第一输出端馈线头p3、第二输出端馈线头p4、第三输出端馈线头p5、第四输出端馈线头p6输出的信号在滤波器通带内幅值相等，相位相差180°。
第一输入端馈线头p1与第一端口馈线2的一端垂直连接，第二输入端馈线头p2与第二端口馈线3的一端垂直连接，第一输出端馈线头p3与第三端口馈线4的一端垂直连接，第二输出端馈线头p4与第四端口馈线5的一端垂直连接，第三输出端馈线头p5与第五端口馈线6的一端垂直连接，第四输出端馈线头p6与第六端口馈线7的一端垂直连接，第五输出端馈线头p7与第七端口馈线8的一端垂直连接，第六输出端馈线头p8与第八端口馈线9的一端垂直连接。
根据多端口网络的知识，第一谐振器11、第四谐振器12、第三谐振器10和第二谐振器13组成第一180°耦合器，同理第五谐振器15、第八谐振器16、第七谐振器14和第六谐振器17组成第二180°耦合器、第九谐振器19、第十二谐振器20、第十一谐振器18和第十谐振器21组成第三180°耦合器。第一180°耦合器和第二180°耦合器通过第二谐振器13与第五谐振器15之间的电耦合连接；第一180°耦合器和第三180°耦合器通过第十一谐振器18与第一谐振器11之间的电耦合连接；根据巴特勒矩阵的设计知识，三个180°耦合器的级联可以实现2×4巴特勒矩阵。这个四个端口均为50欧姆的匹配阻抗。
图5是本发明提出的2×4巴特勒矩阵结构尺寸示意图。
使用三维仿真软件zelandie3d对巴特勒矩阵进行仿真，本发明设计的2×4巴特勒矩阵使用的微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.8，滤波器的主要结构参数为：l1＝13.8mm,l2＝24.6mm,l3＝10.0mm,l4＝7.0mm,l5＝11.8mm,l6＝15.0mm,l7＝14.0mm,w1＝0.4mm,w2＝1.0mm,s1＝0.35mm,s2＝0.9mm,s3＝1.25mm,s4＝2mm,s5＝0.35mm,s6＝1.25mm。
图6(a)和图6(b)分别显示从p1端口和p2端口输入信号时2×4巴特勒矩阵的散射参数仿真结果，其带通滤波特性的中心频率分别为2.4ghz，横轴表示本发明中巴特勒矩阵的信号频率，纵轴表示幅度，包括插入损耗(s31、s41、s32、s42)的幅度、回波损耗(s11，s22)的幅度以及隔离度(s21，s12)的幅度，其中s11，s22分别表示port1与port2的回波损耗，s31表示port1和port3的插入损耗，s41表示port1和port4的插入损耗，s32表示port2和port3的插入损耗，s42表示port2和port4的插入损耗。插入损耗表示一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(db)＝20*log|s21|。回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝＝20*log|s11|。
图7(a)和图7(b)显示了巴特勒矩阵的p3端口，p4端口，p5端口和p6端口的输出信号相位差，横轴表示本发明中巴特勒矩阵的信号频率，纵轴表示角度。在带通滤波器的通带内，当信号从p1端口输入时，可以在p3端口，p4端口，p5端口和p6端口接收到相位基本相等的信号；当信号从p2端口输入时，可以在p3端口，p4端口，p5端口和p6端口接收到相位差约为180°的信号。
综上所述，本实施例提出的一种具有带通滤波特性的2×4巴特勒矩阵的设计方案，利用级联四个二分之一波长的谐振器组成180°耦合器，并且利用两个谐振器之间的电耦合级联三个180°耦合器，实现了具有带通滤波特性的2×4巴特勒矩阵。具有设计灵活，体积小，成本低，隔离度高，滤波特性好，输出信号相位差误差小的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。