专利名称：一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构的制作方法
技术领域：
一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构 本实用新型涉及多波束天线的Butler矩阵波束形成网络，更具体地涉及一种高 隔离度的2X4 Butler矩阵的多层PCB板结构。 多波束天线早期多用于卫星通信方面，但随着移动通信的迅速发展，正面临着频 谱容量不足等问题。多波束天线由于其可同时产生多个波束的方向图特性，被引用到蜂窝 移动通信领域，以增加网络容量。 其中Butler矩阵是产生多波束的关键结构，本实用新型的2X4的Butler矩阵，可 以连接四个天线阵列，在两个波束端口处分别生成两个不同波束。Butler矩阵设计包括功 分单元以及移相单元，其中功分单元广泛采用电桥设计，如美国专利公开号US3255450 (A) 以及US3295134(A)，中国专利公开号CN1553725所披露的方案，但上述设计存在以下不足 首先单个电桥的带宽特性不佳，尤其是隔离度带宽较差，如在天线阵列的整个工 作频率下，电桥的隔离度一般只能高于20dB ; 其次，上述方案还存在相移延长线，并普遍存在信号线的交叉，造成尺寸大，加工 不便。 中国专利公开号CN101227216披露了一种新型的Butler矩阵，但其最大的优点仅 是消除了信号线的交叉点，而同样存在隔离度带宽窄、尺寸大等缺点。 本实用新型的目的在于提供一种尺寸小、带宽范围宽、一致性和稳定性较好，且 具有高隔离度的耦合式Butler矩阵结构。 本实用新型的目的是这样实现的 —种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，所述的Butler矩阵结构具有多个波 束端口和多个天线阵列端口 ，所述的多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天 线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频 信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束 端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相 连接； 其特征在于所述的Butler矩阵结构蚀刻在三层印刷电路板上。 通过三层印刷电路板的架构设计，使得Butler矩阵结构的集成度更高，体积更
小，同时三层电路板的架构设计还非常有利于线路布局，巧妙的消除了相移延长线，避免了
信号线的交叉，使加工更加方便。另一方面，三层电路板的架构设计使得耦合式功率分配方
案成为可能，大大增加了工作带宽，同时提高了隔离度。 作为上述技术方案的改良，本实用新型的进一步技术方案如下 上述的印刷电路板上层和下层为信号层，中间层为接地层。以便于为耦合性功分器的设置和布局提供可能。 上述的信号层可增加接地结构，从而构成共面波导。 上述印刷电路板的接地层在耦合型功分器处设有挖空区，以实现上层和下层之间 的信号耦合。 上述印刷电路板的上层和下层之间设有贯穿孔，以实现上层和下层之间的直流导 通。 上述的多个波束端口数量为四个，其中两个波束端口接匹配电阻，上述的多个天 线阵列端口的数量为四个，以实现2X4结构Butler矩阵。 上述的移相器单元的移相角度为90。；多个移相器单元数量为两个；多个耦合型 功分器单元数量为四个；每个耦合型功分器单元具有两个输入；每个耦合型功分器单元具 有两个输出；两个输出中的其中一个输出比另一个输出信号延迟90。。通过以上结构改 良，实现了两个移相器单元，四个耦合型功分器单元，两个输入，两个输出，且一个输出比另 一个输出信号延迟90。的优化结构。 上述的四个耦合型功分器单元，其中两个耦合型功分器单元为等功率分配耦合型 功分器单元。 上述的四个耦合型功分器单元，其中另外两个耦合型功分器单元为不等功率分配 耦合型功分器单元。 上述Butler矩阵结构的单元端口和天线阵列端口处均设有若干孤立的金属块。 此种结构是为了便于调试。 其有益效果是本实用新型克服了现有技术中普遍存在的带宽特性不佳，尤其是 隔离度带宽较差，且存在相移延长线，存在信号线的交叉，造成尺寸大，加工不便等诸多不 足。提供了一种全新设计的耦合式Butler矩阵结构。通过三层电路板的架构设计以及耦 合式功分器等结构的优化设计，使得所述的Butler矩阵结构具有如下优点 1、通过三层电路板的架构设计，使得所述的Butler矩阵结构尺寸大大縮小，且为 耦合式功分器的设计提供了可能； 2、通过耦合式功分器的设计，使得带宽范围宽、一致性和稳定性较好，且具有较高 隔离度； 3、三层电路板的架构设计使得布线灵活度更高，能有效的避免信号线的交叉。 [
] 图1是本实用新型的整体结构示意图； 图2是本实用新型的顶层结构示意图； 图3是本实用新型的中间层结构示意图； 图4是本实用新型的底层结构示意图； 图5是本实用新型的S参数仿真结果图。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但不作为对本实 用新型的限定。[0032] 本实施例是采用2X4的Butler矩阵结构。如图1所示，其显示了本实施例的三 层电路板结构示意图，从图中可以看出，本实施例包括四个天线阵列端口，分别标记为 0utl、 0ut2、 0ut3、 0ut4 ;两个波束端口 ，分别标记为portA、 portB ;两个不等功率分配耦合 型功分器单元，分别标记为la、lb ;两个等功率分配耦合型功分器单元，分别标记为2a、2b ; 两个移相器单元，分别标记为3a、3b ;两个匹配端口，分别标记为C、D ;两个贯穿孔4，以实现 上层和下层的直流导通；各端口处有调试用的孤立金属块5 ;中间接地层分别设有挖空区6 和7 (如图3所示)，用以实现上层和下层功分器的耦合，与连接上层和下层的贯穿孔4的位 置相对应，中间接地层上还设有挖空区8 (如图3所示)，以便贯穿孔4通过。 图1中la、 lb为不等功率分配耦合器，其为一个1/4波长耦合器，portA、portB为 输入端，C、D为隔离端，在隔离端C、D上接51欧姆的贴片电阻作匹配，直通端为连接2b的 两端，设计其输出_0.8dB Z-90° ，耦合端为连接2a的两端，设计其输出为-8. 5dBZ0。； 2a、2b为等功率分配耦合器，若从portA输入，则out2、 out4为直通端，outl、 out3为耦合 端，若portB输入，则out 1 、out3为直通端，out2、out4为耦合端，直通端比耦合端相位延迟 90° 。 射频信号若从portA端口进入，经过不等分功率分配耦合器la后分出两路信号， 分别为-0.8dB Z-90° 、-8. 5dBZ0。，其中信号-0. 8dB Z-90°流向等功率分配耦合器 2b，信号-8. 5dB Z0°流向等功率分配耦合器2a，而连接la与2b的带状线对比连接la 与2a的带状线的超出长度为3a，其长度为工作波长的四分之一，则信号-0. 8dB Z -90° 延迟90°即为-0.8dB Z-180° ，经过等功率分配耦合器2b后，out3、 out4的输出分别 为-3. 8dB Z -180° 、 -3. 8dB Z -270° ;而信号-8. 5dB Z 0°经过等功率分配耦合器2a 后，outl、 out2的输出分别为-ll. 5dB Z 0° 、-11. 5dB Z-90° 。因此，若portA输入信 号，则outl、out2、out3、out4输出端信号分别为-11. 5dBZ0。 、_11. 5dBZ_90° 、_3. 8dB Z -180° 、-3. 8dB Z -270° 。 同理，若射频信号从portB输入，在经过不等分功率分配耦合器lb后分出两路信 号，分别为-O. 8dB Z-90° 、-8. 5dBZ0。，其中信号-0. 8dB Z-90°流向等功率分配耦 合器2b，信号-8. 5dB Z 0°流向等功率分配耦合器2a，而连接lb与2b的带状线对比连接 lb与2a的带状线的超出长度为3b，其长度为工作波长的四分之一，则信号-0. 8dB Z -90° 延迟90°即为-0.8dB Z-180° ，经过等功率分配耦合器2b后，out3、 out4的输出分别 为-3. 8dB Z -270° 、 -3. 8dB Z -180° ;而信号-8. 5dB Z 0°经过等功率分配耦合器2a 后，outl、 out2的输出分别为-ll. 5dB Z-90° 、-11. 5dB Z 0° 。因此，若portB输入信 号，则outl、out2、out3、out4输出端信号分别为-11. 5dBZ_90° 、-11. 5dBZ0。 、_3. 8dB Z -270° 、-3. 8dB Z -180° 。 图5为该实施例的HFSS仿真结果，从图中可以看到，portA、 portB两波束端口的 回波损耗都在_23dB以下，portA与portB两波束端口间的隔离度在工作频率范围内均大于 43dB。把相位特性归一化后，也可以得到portA端口输入时outl、 out2、 out3、 out4端口的 幅相特性为-ll. 8dB Z 0° 、-11. 9dB Z-89. 8° 、-3.9dB厶181。 、-3. 86dB Z-272° ; portB端口输入时outl、out2、out3、out4端口的幅相特性为广ll. 8dB Z _92、_11 .8dBZ0° 、-3. 89dBZ-268° 、_3. 88dB Z-178° ，由此也可以得出该Butler结构的损耗小 于-0.3dB。[0038] 由于实施例是三层PCB板，随着每一批次的板材差异，加工精度的不同和四个单 元端口 out 1 、 out2、 out3、 out4连接的天线阵列阻抗的差异，会影响到portA、 portB两端口 的驻波比、隔离度，因此在实施例中引入多个孤立金属片5，在焊接端口时根据需要连接一 片或多片孤立金属片，用于微调portA、 portB两端口的驻波比和隔离度，使其得到最优电 性能。 上述实施例仅为本实用新型的一较佳实施方式，但本实用新型的实施方式并不仅 仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型创新点所作的改变、替代、组合或简 化，都应视为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，所述的Butler矩阵结构具有多个波束端口和多个天线阵列端口，所述的多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相连接；其特征在于所述的Butler矩阵结构蚀刻在三层印刷电路板上。
2. 根据权利要求l所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的印刷电路板上层和下层为信号层，中间层为接地层。
3. 根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的信号层可增加接地结构，从而构成共面波导。
4. 根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述印刷电路板的接地层在耦合型功分器处设有挖空区，实现上层和下层信号耦合。
5. 根据权利要求2所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述印刷电路板的上层和下层之间设有贯穿孔，以实现上层和下层之间的直流导通。
6. 根据权利要求l所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的多个波束端口数量为四个。
7. 根据权利要求6所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的四个波束端口中的其中两个波束端口接匹配电阻，实现2X4结构Butler矩阵。
8. 根据权利要求l所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的多个天线阵列端口的数量为四个。
9. 根据权利要求l所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于所 述的移相器单元的移相角度为90°
10. 根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的多个移相器单元数量为两个。
11. 根据权利要求1所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的多个耦合型功分器单元数量为四个。
12. 根据权利要求11所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的每个耦合型功分器单元具有两个输入。
13. 根据权利要求12所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的每个耦合型功分器单元具有两个输出。
14. 根据权利要求13所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的两个输出中的其中一个输出比另一个输出信号延迟90。。
15. 根据权利要求11所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的四个耦合型功分器单元，其中两个耦合型功分器单元为等功率分配耦合型功分器单 元。
16. 根据权利要求15所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特征在于 所述的四个耦合型功分器单元，其中另外两个耦合型功分器单元为不等功率分配耦合型功 分器单元。
17.根据权利要求l-16任一项所述的一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，其特 征在于所述Butler矩阵结构的单元端口和天线阵列端口处均设有若干孤立的金属块。
专利摘要本实用新型公开了一种用于波束形成网络的Butler矩阵结构，该结构具有多个波束端口和多个天线阵列端口，多个波束端口用于接受相应的输入射频信号，多个天线阵列端口用于向相应的多个天线阵列单元输出相干信号，其中，多个接受相应输入射频信号的波束端口至少对应一个响应于相应输入射频信号的天线波束图形，所述的多个波束端口与多个天线阵列端口间由多个耦合型功分器单元和多个移相器单元组成的网络互相连接，该结构蚀刻在三层印刷电路板上，具有体积小、带宽范围宽、一致性和稳定性较好，隔离度较高等优点。
文档编号H04L1/06GK201504235SQ200920059858
公开日2010年6月9日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者伍裕江, 曾骏, 陈鹏 申请人:广东通宇通讯设备有限公司