一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络的制作方法
【专利摘要】一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，主要由具有双频带特性的90°电桥、电控可重构45°相移矩阵、双频带跨接连接器和开关矩阵构成。所述电控可重构45°相移矩阵通过控制开关矩阵切换在不同的频率上，从而使该butler矩阵可以在两个不同工作频率下任意切换，实现工作频率可重构。该电控可重构butler矩阵馈电网络可通过平面印刷技术实现，并且结构紧凑，适用于小型无线通讯系统。
【专利说明】
一种双频电控可重构but I er矩阵馈电网络
技术领域
[0001 ]本发明属于微波工程领域，涉及一种矩阵馈电网络。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的快速增长，无线通信系统的网络容量受到了极大的限制。为 了提高频谱资源的利用率，增大通道容量，智能天线在卫星通信系统、个人通信系统和无线 局域网等系统中已经被广泛的应用。
[0003] 目前，智能天线主要分为自适应天线和多波束天线两类，而多波束天线因其结构 简单、波束切换灵活、性能优越等特点，已在无线通信领域中扮演了重要角色。基于butler 矩阵的多波束形成网络是多波束天线的核心部件，它可以有效地控制天线阵的相位分布， 从而实现波束的不同指向。
[0004] butler矩阵馈电网络通常是由3dB电桥、跨接连接器以及相移器构成，其工作原理 是当对每一输入端口进行激励时，输入功率以一定的比例分配给输出端口且在相邻输出端 口之间会产生特定的相位差，但微波能量从不同输入端口输入时，输出端口的相位差不同。 因此激励不同的输入端口，可以得到不同的相位差，从而使天线的波束指向不同，实现多波 束。但传统的butler矩阵通常由仅能工作在单一频段的3dB电桥、跨接连接器以及固定相移 器构成，因此，一旦设计完成，导致其仅能工作在单一通信频带内，无法满足多频段工作需 求，因此限制了 butler矩阵的应用范围。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是:针对现有butler矩阵仅能工作在单一频段上，无法满 足多频带选通工作的需求，提出了一种双频电控可重构的butler矩阵馈电网络，实现双频 段选通工作。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，包括第一 90°电桥、第二90°电桥、第三90°电桥、第四90°电桥、跨接连接器、第一电控可重构45°相移 矩阵、第二电控可重构45°相移矩阵、开关矩阵、第一偏置电路和第二偏置电路;第一90°电 桥的四个端口中，位于下方同一侧的两个端口作为馈电网络的第一输入端和第二输入端， 位于上方一侧的两个端口中，左侧端口与第一电控可重构45°相移矩阵的输入端相连，右侧 端口与跨接连接器的下方左侧第一输入端相连;第三90°电桥的四个端口中，位于上方同一 侧的两个端口作为馈电网络的第一输出端和第二输出端，位于下方一侧的两个端口中，左 侧端口与第一电控可重构45°相移矩阵的输出端相连，右侧端口与跨接连接器的上方左侧 第二输出端相连;第二90°电桥的四个端口中，位于下方同一侧的两个端口作为馈电网络的 第三输入端和第四输入端，位于上方一侧的两个端口中，右侧端口与第二电控可重构45°相 移矩阵的输入端相连，左侧端口与跨接连接器的下方右侧第二输入端相连;第四90°电桥的 四个端口中，位于上方同一侧的两个端口作为馈电网络的第三输出端和第四输出端，位于 下方一侧的两个端口中，右侧端口与第二电控可重构45°相移矩阵的输出端相连，左侧端口 与跨接连接器的上方右侧第一输出端相连;所述的跨接连接器通过跨接将送入第一输入端 的信号通过第一输出端输出，将送入第二输入端的信号通过第二输出端输出；所述的第一 90°电桥、第二90°电桥、第三90°电桥、第四90°电桥具有相同的双频带特性，所述跨接连接 器具有双频带特性且两个工作频带与第一90°电桥相同；所述的第一电控可重构45°相移矩 阵、第二电控可重构45°相移矩阵具有相同的双频带特性，且在第一90°电桥的两个工作频 段中心频点上可分别实现选通，且在对应的两个工作频段中心频点上的相移量均为45°;所 述的开关矩阵为偏置信号的控制单元，开关矩阵的偏置信号分别通过第一偏置电路送至第 一电控可重构45°相移矩阵控制第一电控可重构45°相移矩阵工作的频段，通过第二偏置电 路送至第二电控可重构45°相移矩阵控制第二电控可重构45°相移矩阵工作的频段。
[0007] 所述的第一电控可重构45°相移矩阵和第二电控可重构45°相移矩阵的结构相同， 均由两条不同长度的微带线组成，两条微带线的电长度分别对应第一90°电桥的两个工作 频段中心频点的八分之一波长。
[0008] 所述的跨接连接器为双频带跨接连接器，其中的信号传输线均采用微带线形式实 现。
[0009] 所述的第一90°电桥、第二90°电桥、第三90°电桥、第四90°电桥的结构相同，均为 双频带90°电桥，其中的信号传输线均采用微带线形式实现。
[0010] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0011] 1)本发明双频电控可重构的butler矩阵馈电网络可以在两个工作频带上任意选 通工作，且两个工作频带间互不干扰；
[0012] 2)本发明中的90°电桥为双频带器件，可同时工作在两个频带，且两频带间有较好 的隔离度；
[0013] 3)本发明的跨接连接器采用双频带设计，可同时工作在两个频带，且两频带间隔 离度高；
[0014] 4)本发明采用的电控可重构45°相移矩阵结构，可方便的在两个频带间任意选通；
[0015] 5)本发明采用开关矩阵对工作频带的选通进行统一控制，具有切换速度快、易操 作等特点。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明电控可重构butler矩阵馈电网络的原理图；
[0017]图2为本发明实施例中电控可重构butler矩阵馈电网络顶部结构示意图；
[0018]图3为本发明实施例中电控可重构butler矩阵馈电网络底部结构示意图；
[0019]图4为本发明实施例中电控可重构butler矩阵馈电网络侧视图；
[0020]图5为本发明实施例中90°电桥示意图；
[0021 ]图6为本发明实施例中跨接连接器示意图；
[0022]图7为本发明实施例中选通在2.5GHz时，激励信号由p 1馈入时端口的插损特性； [0023]图8为本发明实施例中选通在5.2GHz时，激励信号由p 1馈入时端口的插损特性； [0024]图9为本发明实施例中选通在2.5GHz时，激励信号由p2馈入时端口的插损特性； [0025]图10为本发明实施例中选通在5.2GHz时，激励信号由p2馈入时端口的插损特性。
【具体实施方式】
[0026]本发明的双频电控可重构butler矩阵馈电网络，由具有双频带特性的90°电桥、跨 接连接器和电控可重构45°相移矩阵构成。通过开关矩阵选通电控可重构相移矩阵中工作 在不同频段的45°传输线，从而控制馈电网络工作在不同的频率下。
[0027] 如图1所示，本发明butler矩阵馈电网络主要包括：四个输入端pi，p2，p3和p4,四 个输出端p5，p6，p7和p8，90°电桥1，90°电桥2，90°电桥3，90°电桥4，跨接连接器5，电控可重 构45°相移矩阵6,电控可重构45°相移矩阵7,开关矩阵8,偏置电路9和偏置电路10。
[0028] 90°电桥1的端口①与电控可重构45°相移矩阵6的端口⑤连接，90°电桥2的端口④ 与电控可重构45°相移矩阵7的端口⑧连接。90°电桥3的端口 G与电控可重构45°相移矩阵6 的端口⑨连接，90°电桥4的端口?与电控可重构45°相移矩阵7的端口 ?连接。跨接连接器5 的端口⑥与90°电桥1的端口②连接，跨接连接器5的端口⑦与90°电桥2的端口③连接，跨接 连接器5的端口⑩与90°电桥3的端口 ?连接，跨接连接器5的端口 Θ与90°电桥4的端口 ?连 接。
[0029] 进一步的，90°电桥1，90°电桥2,90°电桥3,90°电桥4结构相同，均为3dB 90°电桥， 均可工作在两个频带上。以90°电桥1为例，若信号由端口pi输入，则端口 1和端口 2在两个工 作频段上均输出具有等幅、90°相差的两路信号，端口p2隔离;若信号由端口p2输入，则端口 1和端口2在两个工作频段上均输出具有等幅、90°相差的两路信号，端口p2隔离;若信号由 端口 1输入，则端口pl和端口P2在两个工作频段上均输出具有等幅、90°相差的两路信号，端 口 2隔离;若信号由端口 2输入，则端口 pi和端口 p2在两个工作频段上均输出具有等幅、90° 相差的两路信号，端口 1隔离。
[0030] 进一步的，跨接连接器5具有双频带特性，其可在两个频段上同时实现激励信号由 端口 6出入、端口 11输出，端口 7和端口 10无信号输出。也可同时实现激励信号由端口 7出入、 端口 10输出，端口6和端口 11无信号输出。此外，跨接连接器5工作的两个频带与90°电桥1工 作的两个频带相同。
[0031] 进一步的，电控可重构45°相移矩阵6和电控可重构45°相移矩阵7结构相同，在对 应90°电桥1的两个工作频段中心频点上，所述电控可重构45°相移矩阵6可分别实现选通特 性，且在对应的两个工作频段中心频点上的相移量均为45°。所述电控可重构45°相移矩阵7 也可在对应90°电桥1的两个工作频段中心频点上分别实现选通特性，且在对应的两个工作 频段中心频点上的相移量也均为45°。此外，电控可重构45°相移矩阵6和电控可重构45°相 移矩阵6必须选通在同一工作频段的中心频点上。
[0032] 进一步的，开关矩阵8为偏置信号的控制单元，内部包含多组可控开关，根据需求 控制可控开关的通断，使其具有选择性的向偏置电路施加偏置信号的功能。开关矩阵8的偏 置信号分别通过偏置电路9和偏置电路10传输至电控可重构45°相移矩阵6和电控可重构 45°相移矩阵7。在开关矩阵8的同一个偏置信号控制下，电控可重构45°相移矩阵6和电控可 重构45°相移矩阵7同时选通在同一个工作频段的中心频点处，且产生45°的相移。
[0033]进一步的，当对每一输入端口进行激励时，首先通过控制电控可重构45°相移矩 阵，选通在所需的工作频率上，信号能量将以四等分传递到输出端口，且在相邻输出端口之 间会产生恒定的相位差，但从不同输入端口激励时，输出端口信号的相位差不同。这样激励 不同的输入端口，可以得到不同的相位差，激励阵列天线时可以得倒不同指向的波束。 [0034] 实施例
[0035] 假设本发明的双频电控可重构butler矩阵馈电网络可在2.5GHz、5.2GHz两个工作 频率上任意切换，并采用印制电路板的形式来实现。
[0036]如图2、图3、图4所示，介质基板11由上往下分别为金属覆铜顶层、介质层、金属覆 铜中层、介质层和金属覆铜底层。介质层的介电常数选为2.65,厚度为1mm。金属覆铜顶层放 置90°电桥1，90°电桥2,90°电桥3，90°电桥4,跨接连接器5,电控可重构45°相移矩阵6,电控 可重构45°相移矩阵7。金属覆铜底层安装开关矩阵8,偏置电路分别通过金属柱81-131，32-b2，a3-b3，a4-b4将金属覆铜顶层的偏置连接线与金属覆铜底层的偏置连接线相连接，且金 属柱的直径为1mm。接地线12通过金属化过孔a5连接到金属覆铜中层，金属化过孔的直径为 1.5mm〇
[0037]上述电控可重构45°相移矩阵6和电控可重构45°相移矩阵7结构相同，均由两条不 同长度的微带线组成。电控可重构45°相移矩阵6中较长的微带线通过开关二极管vl、v2与 90°电桥1、90°电桥3连接，电控可重构45°相移矩阵6中较短的微带线通过开关二极管v3、v4 与90°电桥1、90°电桥3连接，电控可重构45°相移矩阵7中较长的微带线通过开关二极管v5、 v6与90°电桥2、90°电桥4连接，电控可重构45°相移矩阵7中较短的微带线通过开关二极管 v7、v8与90°电桥2、90°电桥4连接。两条微带线的电长度分别对应90°电桥1的两个工作频段 中心频点的八分之一波长，可以在两个频点上均形成45°的相移。通过开关矩阵8向偏置电 路上增加偏置电压，选通电控可重构45°相移矩阵6中和电控可重构45°相移矩阵7中较长的 微带线与输入输出端口选通，可以使butler矩阵馈电网络工作在2.5GHz。通过开关矩阵8向 偏置电路上增加偏置电压，选通电控可重构45°相移矩阵6中和电控可重构45°相移矩阵7较 短的微带线与输入输出端口选通，可以使butler矩阵馈电网络工作在5.2GHz。
[0038] 90°电桥1，90°电桥2,90°电桥3,90°电桥4结构相同，均为双频带90°电桥。如图5所 示，双频带90°电桥由四条输入输出传输线111，两条传输线112,两条传输线113,四条枝节 加载传输线114和四个扇形传输线结构115组成。上述传输线均采用微带线形式实现。所述 传输112和传输113均采用弯折线结构，可以有效的减小尺寸。
[0039] 跨接连接器5为双频带跨接连接器，其工作的两个频带与90°电桥1相同。如图6所 示，双频带跨接连接器包括四条输入输出传输线121，两条传输线122，两条传输线123，一条 传输线124,四条端枝节加载传输线125,两条枝节加载传输线126,四个扇形传输线结构127 和两个扇形传输线结构128组成。上述传输线均采用微带线形式实现。所述传输线122、传输 线123和传输线124均采用弯折线结构，可以有效的减小尺寸。
[0040] 对本发明的双频电控可重构but 1 er矩阵馈电网络进行仿真，图7为馈电网络选通 在2.5GHz时，激励信号由p 1端口馈入时输出端口 p5、p6、p7和p8的插损特性。如图所示， 2.5GHz处的幅度一致性较好，满足信号等分的要求。图8为馈电网络选通在5.2GHz时，激励 信号由pl端口馈入时输出端口p5、p6、p7和p8的插损特性。如图所示，在5.2GHz处幅度一致 性满足等分要求。表1给出了激励信号由pl端口馈入时不同频率下的输出端口 P5、p6、p7和 p8的相位特性，当馈电网络选通在2.5GHz时，2.5GHz处的相位差一致性彡3°，而在5.2GHz处 的相位差不固定。当馈电网络选通在5.2GHz时，2.5GHz处的幅度差不同定，而在5.2GHz处相 位差彡3°。
[0041 ] 表1选通在2.5GHz时输出端口相位特性
[0042]
[0043]图9为馈电网络选通在2.5GHz时，激励信号由p2端口馈入时输出端口p5、p6、p7和 P8的插损特性。如图所示，2.5GHz处的幅度一致性较好，满足信号等分的要求。图10为馈电 网络选通在5.2GHz时，激励信号由p2端口馈入时输出端口 p5、p6、p7和p8的插损特性。如图 所示，在5.2GHz处幅度一致性满足等分要求。表2给出了激励信号由p2端口馈入时不同频率 下的输出端口 p5、p6、p7和p8的相位特性，当馈电网络选通在2.5GHz时，2.5GHz处的相位差 一致性<3°，而在5.2GHz处的相位差不固定。当馈电网络选通在5.2GHz时，2.5GHz处的幅度 差不同定，而在5.2GHz处相位差<3°。
[0044] 表2选通在5.2GHz时输出端口相位特性
[0045]
[0046] 本发明的双频电控可重构but 1 er矩阵馈电网络不受限于具体的工作频率上，例如 可在2.5GHz、5.2GHz两个工作频率上任意切换。
[0047] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，其特征在于包括:第一90°电桥（I)、第二 90°电桥(2)、第三90°电桥(3)、第四90°电桥(4)、跨接连接器(5)、第一电控可重构45°相移 矩阵(6)、第二电控可重构45°相移矩阵(7)、开关矩阵(8)、第一偏置电路(9)和第二偏置电 路（10);第一90°电桥（1)的四个端口中，位于下方同一侧的两个端口作为馈电网络的第一 输入端和第二输入端，位于上方一侧的两个端口中，左侧端口与第一电控可重构45°相移矩 阵(6)的输入端相连，右侧端口与跨接连接器(5)的下方左侧第一输入端相连;第三90°电桥 (3)的四个端口中，位于上方同一侧的两个端口作为馈电网络的第一输出端和第二输出端， 位于下方一侧的两个端口中，左侧端口与第一电控可重构45°相移矩阵(6)的输出端相连， 右侧端口与跨接连接器(5)的上方左侧第二输出端相连;第二90°电桥(2)的四个端口中，位 于下方同一侧的两个端口作为馈电网络的第三输入端和第四输入端，位于上方一侧的两个 端口中，右侧端口与第二电控可重构45°相移矩阵(7)的输入端相连，左侧端口与跨接连接 器(5)的下方右侧第二输入端相连;第四90°电桥(4)的四个端口中，位于上方同一侧的两个 端口作为馈电网络的第三输出端和第四输出端，位于下方一侧的两个端口中，右侧端口与 第二电控可重构45°相移矩阵(7)的输出端相连，左侧端口与跨接连接器(5)的上方右侧第 一输出端相连;所述的跨接连接器(5)通过跨接将送入第一输入端的信号通过第一输出端 输出，将送入第二输入端的信号通过第二输出端输出；所述的第一90°电桥（1)、第二90°电 桥(2)、第三90°电桥(3)、第四90°电桥(4)具有相同的双频带特性，所述跨接连接器(5)具有 双频带特性且两个工作频带与第一90°电桥（1)相同；所述的第一电控可重构45°相移矩阵 (6)、第二电控可重构45°相移矩阵(7)具有相同的双频带特性，且在第一90°电桥（1)的两个 工作频段中心频点上可分别实现选通，且在对应的两个工作频段中心频点上的相移量均为 45°;所述的开关矩阵(8)为偏置信号的控制单元，开关矩阵(8)的偏置信号分别通过第一偏 置电路(9)送至第一电控可重构45°相移矩阵(6)控制第一电控可重构45°相移矩阵(6)工作 的频段，通过第二偏置电路(10)送至第二电控可重构45°相移矩阵(7)控制第二电控可重构 45°相移矩阵(7)工作的频段。2. 根据权利要求1所述的一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，其特征在于:所述 的第一电控可重构45°相移矩阵(6)和第二电控可重构45°相移矩阵(7)的结构相同，均由两 条不同长度的微带线组成，两条微带线的电长度分别对应第一90°电桥(1)的两个工作频段 中心频点的八分之一波长。3. 根据权利要求1或2所述的一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，其特征在于： 所述的跨接连接器(5)为双频带跨接连接器，其中的信号传输线均采用微带线形式实现。4. 根据权利要求1或2所述的一种双频电控可重构butler矩阵馈电网络，其特征在于： 所述的第一90°电桥（1)、第二90°电桥(2)、第三90°电桥(3)、第四90°电桥(4)的结构相同， 均为双频带90°电桥，其中的信号传输线均采用微带线形式实现。
【文档编号】H01Q3/40GK105896081SQ201610268104
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】李志鹏, 吴江牛, 黄惠军, 方进勇, 孙静
【申请人】西安空间无线电技术研究所