[发明专利]一种新型4×4Butler矩阵馈电网络

说明书

技术领域

本发明属于微波工程领域，涉及一种新型的4×4Butler矩阵馈电网络。

背景技术

Butler矩阵是一种电路类波束成形网络，它同时具备多个输入和输出端口，其相关端口间的相位关系非常奇特，主要用在对波束指向有特殊要求的天线系统中，如第三代移动通信系统的智能天线等。这种馈电矩阵有很清晰的物理意义，在电路上也比较容易实现，因此得到了广泛的研究。

Butler矩阵是一个完全无源和互易的网络，这种馈电矩阵使用了具有90度相移特性的3db定向耦合器和不同相移特性的固定移相器。用于一个N单元线天线阵的Butler矩阵应该具有相应的N个输入端口和N个输出端口，并因此能产生相应的N个波束。其中N为正整数，通常为2的正整数次方。对于Butler矩阵，在其任意一个输入端加上一个信号，在所有输出端得到等幅的信号，各相邻单元间相位差相等。由于Butler矩阵和天线是完全互易的，所以Butler矩阵既可用于发射也可用于接收。

Butler矩阵可以非常容易的通过微带线来实现，但是在一个平面内实现它时却不可避免地要产生导体交叉，即Butler馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用。

Butler矩阵的带宽取决于其采用的90度相移特性的3db定向耦合器和固定移相器的带宽，现有的Butler矩阵的带宽通常在5%-15%之间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的Butler矩阵馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用，而且其带宽一般不超过15%。

为解决上述Butler矩阵馈电网络的问题，本发明提供一种新型4×4Butler矩阵馈电网络，设置在波束形成设备的波束端口和天线阵列的天线端口之间，采用微带电路方式实现，加工在背靠背粘结一起上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上，具有4输入端口和4输出端口。本发明的馈电网络包括两个45°固定移相器、两个垂直金属过孔和四个3分贝90度定向耦合器；四个3分贝90度定向耦合器分为两组，第一组的第一3分贝90度定向耦合器和第二3分贝90度定向耦合器，以及第二组的第三3分贝90度定向耦合器位于上层PCB板上，第二组的第四3分贝90度定向耦合器位于下层PCB板上。第一组3分贝90度定向耦合器一端与天线单元相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口连接，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器。两个45°固定移相器设置在第一组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间。第一个金属过孔用于连接第一3分贝90度定向耦合器和第四3分贝90度定向耦合器，第二个金属过孔用于连接第二3分贝90度定向耦合器，一个45°固定移相器和第四3分贝90度定向耦合器。本发明的馈电网络依靠金属过孔在上下两层PCB板间进行信号传递。

所述的3分贝90度定向耦合器均为3分支的分支线定向耦合器，45°固定移相器为宽带Schiffman移相器。

本发明的优点和积极效果在于：

（一）以简单的金属过孔取代了复杂的跨接器，极大地简化了Butler矩阵馈电网络的结构，而且减小了其体积，增多了其适用场合；

（二）采用3分支的分支线定向耦合器作为Butler矩阵的基本单元，电气性能比2分支的分支线定向耦合器有了很大提高；

（三）采用宽带Schiffman移相器作为移相单元，配合3分支的分支线定向耦合器展宽了Butler矩阵的带宽；

（四）Butler矩阵馈电网络采用微带电路方式实现，可利用印刷电路制作方式进行加工，工艺简单，一致性好，易于加工和大批量生产。

附图说明

图1是现有常规的4×4Butler矩阵馈电网络；

图2是本发明新型的4×4Butler矩阵馈电网络示意图；

图3是垂直金属过孔的结构示意图；

图4是三分支的分支线定向耦合器示意图；

图5是Schiffman差分移相器示意图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。