本发明属于电子通信技术领域。
背景技术：
随着通信技术的高速发展，多波束天线较为简单的实现和准确的指向使其在雷达和通讯系统特别是4g、5g移动通讯系统中扮演着越来越重要的角色。多波束天线的核心在于波束形成电路馈电网络，而对于butler矩阵由于结构简单、插入损耗低、便于制作等优点，具有很大的应用前景。
目前现有的butler矩阵技术主要是由多个单层微带耦合器和传输微带线移相器构成，以改变各输出端口信号的幅度和相位，馈入相控阵天线后，实现波束成形和功率谱估计的信号处理功能，来确定信号来波方向，并进一步对信号进行精确定向。技术简单但具有工作频率窄、端口移相误差大、端口幅度平坦度差等缺陷，导致平台通用性差，应用场景狭小。本发明利用多层印制板技术发展了一种平面小型化、易制作、低成本、高性能、宽频带覆盖的多层微带butler波束成形网络矩阵，可广泛地应用于多场景下的多波束天线波束形成电路馈电网络。
技术实现要素：
本发明以解决目前现有butler矩阵工作频率窄、端口移相误差大、端口幅度平坦度差等缺陷，所实现的宽带多层微带butler波束成形网络矩阵具有易制作、低成本、端口移相精度高、端口幅度波动小、损耗低、工作频率宽、端口隔离度高等优点，可以满足现代民用移动通讯系统和军事雷达系统对新一代多波束阵列天线及天线测试的要求。
本发明技术方案为一种宽带多层微带butler波束成形网络矩阵装置，其结构如图1所示，该装置包括：上金属地、第一介质层、电路基板、设置于基板上的butler波束成形网络矩阵、第二介质层、下金属地；所述设置于基板上的butler波束成形网络矩阵如图2所示，包括：第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器，第一～第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器；所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器包括：a、b两个输出端口和c、d两个输入端口，所述180°3db宽带紧耦合定向耦合器包括：a、b两个输出端口和△、∑两个输入端口；所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口与第一180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△端口连接，第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口与第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△端口连接；所述第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口与第一180°3db宽带紧耦合定向耦合器的∑端口连接，第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口与第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的∑端口连接；所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器和第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的输入端口作为宽带多层微带butler波束成形网络矩阵装置的馈电端口，所述第一和第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的输出端口为宽带多层微带butler波束成形网络矩阵装置天线端口。
其特征在于所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器，如图3所示包括：电路基板和设置于电路基板上表面和下表面的金属微带线，所述上表面或下表面的金属微带线为两个渐变紧耦合8.34db定向耦合器级联构成，形状相同设置位置相反；上表面的金属微带线馈电端口为第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的c端口，天线端口为第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口；下表面金属微带线馈电端口为第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的d端口，天线端口为第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口。
所述第一～第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器，如图4所示包括：第二90°3db宽带紧耦合定向耦合器和90°schiffman宽带紧耦合差分移相器；所述90°schiffman宽带紧耦合差分移相器包括：参考微带传输线和90°移相器；所述参考微带传输线为设置于电路基板上表面的蛇形曲折微带线，一端与第二90°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口连接，另一端作为输出；所述90°移相器包括位于电路基板上表面和下表面的三段式渐变耦合线，位于电路基板下表面的三段式渐变耦合线的一端连接第二90°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口，另一端通过金属化过孔连接位于电路基板上表面的三段式渐变耦合线的一端，另一端作为输出；所述第二90°3db宽带紧耦合定向耦合器的c、d端口分别为180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△、∑端口，所述蛇形曲折微带线的输出端和位于电路基板上表面的三段式渐变耦合线的输出端分别为180°3db宽带紧耦合定向耦合器的a、b两个端口。
进一步的，所述90°移相器中位于电路基板上表面和下表面的三段式渐变耦合线投影为“v”形，所述三段式渐变耦合线的一侧齐平，另一侧的中段凸起，宽度大于前段和后端，所述中段的凸起位于电路基板上下表面的三段式渐变耦合线投影“v”形的外侧，且每段耦合线的长度都为
进一步的，所述第一或第二90°3db宽带紧耦合定向耦合器中的渐变紧耦合8.34db定向耦合器包括：输入段、过渡段、输出段，其中输入段包括：50欧姆矩形传输线输入端口、尖顶形阻抗渐变过渡传输线枝节、输入枝节微带线，50欧姆矩形传输线输入端口与输入枝节微带线垂直，尖顶形阻抗渐变过渡传输线枝节为输入枝节微带线在与输入端口连接处的向外延伸；所述输入段与过渡段形成钝角连接，输入段与输出端成中心对称；所述两个渐变紧耦合8.34db定向耦合器级联后成“u”形，级联后的输入端口与输出端口位于“u”形的外侧。
进一步的，所述蛇形曲折的参考微带传输线从输入端起依次包括：第一“u”形弯折、第二“u”形弯折、第三“u”形弯折、第四“u”形弯折、第一直角弯折、第二直角弯折、第五“u”形弯折、第六“u”形弯折、第七“u”形弯折、第三直角弯折、第四直角弯折、第八“u”形弯折、第五直角弯折、第六直角弯折；所述第一和第二直角弯折的弯折方向相反；所述第三和第四直角弯折的弯折方向相反；所述第五和第六直角弯折的弯折方向相反，整个参考微带传输线长度为
进一步的，所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口与第一180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△端口通过“u”形的弯折微带线连接；所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口连接微带线经过传输线交叉点后通过金属化过孔与第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△端口连接；所述第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的a端口连接微带线经过传输线交叉点再连接一“u”形的弯折微带线后通过金属化过孔与第一180°3db宽带紧耦合定向耦合器的∑端口连接；所述第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的b端口连接第一段微带线后通过金属化过孔连接第二段微带线后与第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的∑端口连接，所述第一段与第二段微带线投影成“u”形。
进一步的，所述宽带多层微带butler波束成形网络矩阵装置中的微带线弯折处的外角全部做倒直角处理。
进一步的，所述第一介质层的厚度0.1～3mm；介质基板的厚度0.1～3mm；第二介质层的厚度0.1～3mm；金属化过孔的直径为0.1～1mm。
本发明的优点包括:
1、采用多层印制板工艺，电路紧凑，制作简单，成本低廉；
2、采用了电路宽边紧耦合技术，多层微带butler矩阵具有工作频率宽，端口移相精度高、端口幅度波动小、损耗低和端口隔离度高等优点。
附图说明
图1为本发明多层电路基板层结构示意图。
图2为本发明宽带多层微带butler4×4矩阵电路原理图。
图3为本发明90°3db宽带紧耦合定向耦合器电路图。
图4为本发明180°3db宽带紧耦合定向耦合器电路图。
图5为本发明具体实施宽带多层微带butler4×4矩阵电路图。
图6为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口1激励时，天线端口5～8的信号相位数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号相位，单位degree。
图7为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口2激励时，天线端口5～8的信号相位数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号相位，单位degree。
图8为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口3激励时，天线端口5～8的信号相位数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号相位，单位degree。
图9为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口4激励时，天线端口5～8的信号相位数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号相位，单位degree。
图10为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口1激励时，天线端口5～8的信号插入损耗和馈电端口隔离的数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号插入损耗，单位db。
图11为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口2激励时，天线端口5～8的信号插入损耗和馈电端口隔离的数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号插入损耗，单位db。
图12为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口3激励时，天线端口5～8的信号插入损耗和馈电端口隔离的数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号插入损耗，单位db。
图13为本发明具体实施butler4×4矩阵的馈电端口4激励时，天线端口5～8的信号插入损耗和馈电端口隔离的数据图。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为信号插入损耗，单位db。
图14为本发明具体实施butler4×4矩阵的各端口信号输入/输出驻波比。横坐标为频率，单位ghz，纵坐标为vswr(驻波比)。
具体实施方式
本发明为一种基于多层印制板技术制作宽带多电路基板层微带butler矩阵，其特征在于，包括第一介质层、电路基板和第二介质层，电路刻蚀在电路基板上下表面的金属层上，构成宽边紧耦合电路，形成强耦合用于宽带应用，电路基板上有金属化过孔，用于连接上下层电路；微带butler矩阵为4×4矩阵由4个馈电端口，4个天线端口、1个90°3db宽带紧耦合定向耦合器和3个180°3db宽带紧耦合定向耦合器构成。所述第一90°3db宽带紧耦合定向耦合器的c、d馈电端口分别为本发明装置的1、2输入端口,所述第三180°3db宽带紧耦合定向耦合器的△、∑馈电端口分别为本发明装置的3、4输入端口，所述第一180°3db宽带紧耦合定向耦合器的a、b天线端口分别为本发明装置的5、6天线端口，所述第二180°3db宽带紧耦合定向耦合器的a、b天线端口分别为本发明装置的7、8天线端口；90°3db宽带紧耦合定向耦合器由两个渐变紧耦合8.34db定向耦合器级联构成；180°3db宽带紧耦合定向耦合器由一个90°3db宽带紧耦合定向耦合器和一个90°schiffman宽带紧耦合差分移相器级联构成；90°schiffman宽带紧耦合差分移相器由一个参考微带传输线和一个90°移相器构成；参考微带传输线采用蛇形曲折线的结构；90°移相器采用三段上下渐变紧耦合耦合线并通过末端的金属化过孔连接的结构。所述第一介质层的厚度0.1～3mm；电路基板的厚度0.1～3mm；第二介质层的厚度0.1～3mm；金属化过孔的直径为0.1～1mm。
馈电端口1到4依次分别激励，在天线端口5到8产生等幅度功率输出，其相位差依次为90°、-90°、180°和0°：即给馈电端口1激励，则在天线端口5与端口6之间、端口6与端口7之间、端口7与端口8之间产生90°相差；给馈电端口2激励，则在天线端口5与端口6之间、端口6与端口7之间、端口7与端口8之间产生-90°相差；给馈电端口3激励，则在天线端口5与端口6之间、端口6与端口7之间、端口7与端口8之间产生180°相差；给馈电端口4激励，则在天线端口5与端口6之间、端口6与端口7之间、端口7与端口8之间产生0°相差。
制作宽带多层微带butler4×4矩阵电路图，外形图如图5所示。第1介质为空气，厚度为0.8mm、电路基板为rogers5880，厚度为0.254mm，第2介质为空气，厚度为0.8mm，电路刻蚀在电路基板上下表面的金属层上，电路面积不大于170mm×90mm。结果如图6～图14所示，工作频带覆盖1700～2200mhz，相对带宽大于25％，端口驻波vswr最大值1.3，端口隔离大于20db，各端口带内相位波动小于+/-2°，各端口带内幅度平坦度小于+/-0.3db，馈电端口1到4依次分别激励，在天线端口5到8产生等幅度功率输出，端口相位差依次为90°+/-2°、-90°+/-2°、180°+/-2°和0°+/-2°，天线端口插入损耗6.5+/-0.5db。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。