[发明专利]一种窗花型巴特勒矩阵及其设计方法

说明书

本发明涉及一种窗花型巴特勒矩阵及其设计方法，3dB定向耦合器两两之间通过短路臂连接；每个3dB定向耦合器与外导体之间通过短路臂连接。由于使用短路臂，带内幅频呈现等波纹特性，插损波动性能更加优越；另外加载了调谐螺钉，能够实现产品最佳的驻波、幅频和相位特性。由于巴特勒矩阵具有等波纹特性，适合于宽带设计。短路臂的加载等效增加了定向耦合器的阶数，能够有效的拓展工作带宽。本发明的巴特勒矩阵低成本、易加工、好装配。该结构内外导体的所有拐角均为圆角，采用铣削加工工艺即可，加工方便，成本低廉。短路臂的加载使得内外导体一体化，完全杜绝了内外导体间的相对滑动有助于提升批量化产品的一致性。

技术领域

本发明涉及一种窗花型巴特勒矩阵及其设计方法，属于微波无源技术领域。

背景技术

高通量通信卫星(HTS,High Throughput Satellite)，也称高吞吐量通信卫星，是相对于使用相同频率资源的传统卫星而言的，主要技术特征包括多点波束、频率复用、高波束增益等。HTS可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量，随着高通量有效载荷的逐步成熟以及新型通信卫星平台的研制开发过程不断加快，HTS卫星的需求不断加大。

基于巴特勒矩阵的无源多波束网络是HTS卫星核心部件，用以实现信号的分路和合成。图1给出了4×4巴特勒矩阵的原理示意图，是当前较为常用的一种拓扑形式。从图中可以看出，该矩阵由四个3dB定向耦合器组成，共包含4个输入口(X1G～X4G)和4个输出口(X5G～X8G)，当在某一输入端输入一个信号时，在四个输出端可输出等幅信号，并且输出端信号之间具有恒等的相位差。

Ku频段巴特勒矩阵由于其频段较高，微带结构存在的接头焊接敏感性和一致性较差的问题，导致微带结构巴特勒矩阵在Ku频段的使用较少。目前方同轴结构的巴特勒矩阵在Ku频段最为常用，克服了接头焊接的敏感性，同时能够实现产品的小型化。传统方同轴巴特勒矩阵内外导体是分离的，需要介质进行支撑定位，在装配和接头焊接的过程中，很有可能引起定位不准、内外导体相对滑动等现象的产生；另外，虽然传统方同轴巴特勒矩阵能够通过增加阶数拓展带宽，由于其带内并不是等波纹特性，因此幅频性能会随着带宽的增加而恶化，从这一方面来说，其并不适合做宽带巴特勒矩阵产品。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对巴特勒矩阵带内幅频特性和内外导体滑动问题，提供一种窗花型巴特勒矩阵及其设计方法，在结构上引入短路臂结构，把3dB定向耦合器进行两两相连，使得巴特勒矩阵内、外导体实现了一体化，保证了批量化产品的一致性；有效的拓展了产品的工作带宽，实现了带内幅频等波纹特性。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种窗花型巴特勒矩阵，包括腔体，腔体包括内导体和外导体，内导体包括短路臂以及四个3dB定向耦合器，其余部分为外导体；所述3dB定向耦合器两两之间通过短路臂连接；每个3dB定向耦合器与外导体之间通过短路臂连接。

优选的，所述3dB定向耦合器包括四条分支线，为相对设置的一对高阻抗分支线和一对低阻抗分支线，四个角引出传输线与短路臂连接；所述短路臂包括并联短路臂以及常规短路臂；相邻两个定向耦合器经传输线与并联短路臂连接；定向耦合器两个外侧角引出的传输线分别通过常规短路臂连接到外导体。

优选的，所述并联短路臂为常规短路臂顺时针旋转90度互相连接构成。

优选的，定向耦合器的分支线总长度初值为四分之一波长，常规短路臂的长度初值为四分之一波长，并联短路臂长度初值为二分之一波长，分支线、常规短路臂、并联短路臂的阻抗通过优化确定最终阻抗，均分布在5欧姆到200欧姆之间。

优选的，所述腔体采用铣削加工工艺获得，所有拐角均为圆角。