一种N波束覆盖的Nolen矩阵馈电网络

本发明涉及通信天线的，尤其涉及一种n波束覆盖的nolen矩阵馈电网络。

背景技术：

1、多波束天线阵列是5g及其他无线通信系统的关键技术。例如，它可以应用于卫星通信、多输入多输出(mimo)系统和多用户通信等应用。为了满足5g和6g通信的更高数据容量，多波束成形馈电网络和波束成形天线阵列被广泛研究。波束成形馈电网络是多波束天线阵的重要组成部分。波束成形馈电网络最主要的功能就是，可以在天线上提供不同的功率和相位分布，从而可以实现对波束的方向性的控制以及形成多波束天线。多波束天线的核心是波束成形馈电网络。设计波束成形馈电网络的方法包括blass矩阵、butler矩阵和nolen矩阵。

2、在上述相同阶数的波束成形馈电网络中，较为常用的是butler矩阵。butler矩阵具有方便、简单、损耗低等优点，在波束形成网络中得到了广泛的使用。但由于交叉结等结构的引入，导致butler矩阵存在尺寸过大、设计较为复杂等缺点。nolen矩阵在没有额外交叉结引入的情况下具有数量最少的微波器件，仅由耦合器和移相器组成，因而具有最小的尺寸和最高的总功率效率。此外，与butler矩阵的经典输入输出端口2n×2n结构不同，butler矩阵具有输入输出端口n×n结构，可以实现任意数量的输入输出端口，允许更灵活的波束形成(n是不小于1的整数)，因此nolen矩阵在研究和实际应用中具有巨大潜力。

3、到目前为止，针对nolen矩阵的设计一直聚焦于提高低阶nolen矩阵的性能，低阶nolen矩阵只能产生三或四个波束。目前提出的能够实现更多波束的波束成形馈电网络较少，且基本都是基于8×8butler矩阵来实现8个波束的空间覆盖，并且目前所提出的可实现更多波束覆盖的结构具有更多的交叉结和耦合器，具有尺寸过大、设计复杂的缺点，且空间覆盖的范围有限，同时也不具备nolen矩阵尺寸小、波束指向灵活的优点。由于nolen矩阵在相同阶数的不同矩阵中具有最少的微波器件，因此设计可实现n波束空间覆盖的nolen矩阵具有更小的尺寸和更简洁的结构，从而具有更低的损耗。目前已经提出的nolen矩阵的多是实现3或4个波束空间覆盖，未能在空间范围内实现更多的波束，针对更多波束空间覆盖的nolen矩阵研究较少，故提出一种可实现在空间中n波束覆盖的nolen矩阵馈电网络。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种n波束覆盖的nolen矩阵馈电网络，包括：包括第一90°3db耦合器、90°4.77db耦合器、-90°移相器、第二90°3db耦合器、第一开关控制电路、第二开关控制电路、多个移相器组、第三开关控制电路、第四开关控制电路、输入端口和输出端口，能在空间中实现n波束覆盖。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种n波束覆盖的nolen矩阵馈电网络，包括第一90°3db耦合器、90°4.77db耦合器、-90°移相器、第二90°3db耦合器、第一开关控制电路、第二开关控制电路、移相器组、第三开关控制电路、第四开关控制电路、输入端口和输出端口；第一90°3db耦合器的四个端口分别连接两个输入端口、90°4.77db耦合器的一个端口和-90°移相器的一个端口，第二90°3db耦合器的四个端口分别连接-90°移相器的一个端口、90°4.77db耦合器的一个端口、第一开关控制电路和第二开关控制电路，还设置一个输入端口依次连接90°4.77db耦合器、移相器组的端口和一个输出端口；第一开关控制电路和第二开关控制电路还连接移相器组的输入端口，移相器组的输出端口连接第三开关控制电路和第四开关控制电路；第三开关控制电路和第四开关控制电路分别对应连接两个输出端口，第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路和第四开关控制电路均采用spnt单刀多掷开关。

3、进一步的，移相器组包括112°移相器、第一0°移相器、60°移相器、第二0°移相器和120°移相器；112°移相器的两端分别连接90°4.77db耦合器和第一输出端口，第一0°移相器的两端分别连接第一开关控制电路和第三开关控制电路，60°移相器两端分别连接第一开关控制电路和第三开关控制电路；第二0°移相器的两端分别连接第二开关控制电路和第四开关控制电路，120°移相器的两端分别连接第二开关控制电路和第四开关控制电路；第三开关控制电路连接第二输出端口，第四开关控制电路连接第三输出端口；第一90°3db耦合器连接第二输入端口和第三输入端口。

4、进一步的，第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路、第四开关控制电路均处于左侧导通且当第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口分别激励时，第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口间的相位差分别为-90°、30°和150°；第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路、第四开关控制电路均处于右侧导通且当第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口分别激励时，第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口间的相位差分别为-150°、-30°和90°。

5、进一步的，第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路、第四开关控制电路均采用spdt单刀双掷开关；第一开关控制电路包括开关供电单排插针、spnt单刀双掷开关电路、开关电路接地端和电容；通过控制开关供电单排插针的供电，实现第一开关控制电路下侧端口与左侧上端口以及右侧上端口的导通，spdt单刀双掷开关采用hmc545ae型号开关，开关电路接地端实现开关端口的接地，电容为贴片电容，为隔直电容。

6、进一步的，第一90°3db耦合器和第二90°3db耦合器结构相同；第一90°3db耦合器中与-90°移相器连接的端口为耦合端口，第一90°3db耦合器的连接第二输入端口的端口激励时，能量从同侧直通端口和耦合端口等幅输出，且从耦合端口输出的电磁波比从左侧上直通端口输出的信号相位滞后90°，第一90°3db耦合器与第三输入端口103连接的端口为隔离端口；第二90°3db耦合器连接第二开关控制电路的端口为耦合端口，第二90°3db耦合器连接90°4.77db耦合器的端口激励时，能量从同侧直通端口和耦合端口等幅输出，且从耦合端口输出的电磁波比从左侧上直通端口输出的信号相位滞后90°，第二90°3db耦合器连接-90°移相器的端口为隔离端口。

7、进一步的，90°4.77db耦合器信号从输入端到直通端口和耦合端口信号功率1:2输出，信号幅度比为90°4.77db耦合器中与第二90°3db耦合器连接的端口为耦合端口，90°4.77db耦合器中与移相器组连接的端口为直通端口，从所述耦合端口输出的电磁波比从所述直通端口输出的信号相位滞后90°。

8、进一步的，-90°移相器3的输出相位比输入相位超前90°。

9、进一步的，通过第一开关控制电路、第二开关控制电路、移相器组、第三开关控制电路、第四开关控制电路选择不同的移相器组的数值，实现矩阵输出端口间相位差调控。

10、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所采用的nolen矩阵与广泛采用的butler矩阵不同，nolen矩阵可以实现n×n阶的馈电网络，实现任意数量的输入输出端口，允许更灵活的波束形成，本发明所采用的nolen矩阵与butler矩阵相比，不需要交叉结结构，具有更少的微波元器件，因而具有更小的尺寸和更简洁的结构，从而具有更低的损耗；现有技术中的多波束网络或设计复杂或控制复杂，本发明的波束成形馈电网络设计结构简单，且只需开关电路控制就可以实现空间中n波束覆盖，理论上可以实现无数个波束指向，电路简单便于控制，增大了波束控制的灵活性并提高了空间覆盖率。