输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络

摘要

本发明公开了一种输出端口间相位差任意的butler矩阵波束形成网络，包括四个输入端口、四个输出端口、四个任意输出相位横跨定向耦合器、两个交叉横跨定向耦合器、四个终端开路横跨定向耦合线和四条相移线；四个输出端口的相位由四个任意输出相位横跨定向耦合器和四条相移线的相位决定。本发明通过采用任意输出相位横跨定向耦合器实现了具有输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络，提高了天线阵波束指向的灵活性。本发明通过将交叉横跨定向耦合器、终端开路横跨定向耦合线和相移线结合，实现了体积较小的butler矩阵波束形成网络。本发明具有易加工和低成本的优点，适于广泛推广。

说明书

技术领域

本发明属于微波天线领域，尤其涉及一种输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络。

背景技术

波束形成网络的作用是为天线阵列中的单元天线提供固定的幅度和相位，以实现不同的波束扫描角度。波束形成阵列天线已经在民用和军事领域得到了迅速发展。波束形成网络的一种常用实现方法是采用Butler矩阵。传统的Butler矩阵是一种对称结构，由定向耦合器、交叉电路和移相器构成。例如：一个4×4的butler矩阵包含四个输入端口和四个输出端口，激励其中一个输入端口，可以获得等幅度和固定分布的输出端口间相位差。传统的butler矩阵的相位差为±45°和±135°。通过将4×4的butler矩阵与阵列天线相连，可以获得四种不同方向的波束。

然而，传统的Butler矩阵只能实现±45°和±135°的相位差，导致天线阵波束指向是固定的四个方向。为此，有必要提出一种输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络，以提高天线阵波束指向的灵活性。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够提高天线阵波束指向的灵活性的输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

输出端口间相位差任意的butler矩阵波束形成网络，包括四个输入端口、四个输出端口、四个任意输出相位横跨定向耦合器、两个交叉横跨定向耦合器、四个终端开路横跨定向耦合线和四条相移线；

所述的四个输入端口分别为输入端口A、输入端口B、输入端口C和输入端口D，四个输出端口分别为输出端口A、输出端口B、输出端口C和输出端口D，四个任意输出相位横跨定向耦合器分别为任意输出相位横跨定向耦合器A、任意输出相位横跨定向耦合器B、任意输出相位横跨定向耦合器C和任意输出相位横跨定向耦合器D，两个交叉横跨定向耦合器分别为交叉横跨定向耦合器A和交叉横跨定向耦合器B，四个终端开路横跨定向耦合线分别为终端开路横跨定向耦合线A、终端开路横跨定向耦合线B、终端开路横跨定向耦合线C和终端开路横跨定向耦合线D，四条相移线分别为相移线A、相移线B、相移线C和相移线D；

所述输入端口A和输入端口B分别与任意输出相位横跨定向耦合器A的端口A和端口B连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器A的端口C与终端开路横跨定向耦合线A的端口A通过相移线A连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器A的端口D与交叉横跨定向耦合器A的端口A连接；所述终端开路横跨定向耦合线A的端口B与任意输出相位横跨定向耦合器C的端口A通过相移线B连接，所述交叉横跨定向耦合器A的端口B与任意输出相位横跨定向耦合器C的端口B连接；

所述任意输出相位横跨定向耦合器C的端口C与终端开路横跨定向耦合线B的端口A连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器C的端口D与交叉横跨定向耦合器B的端口A连接；所述终端开路横跨定向耦合线B的端口B与输出端口A连接，所述交叉横跨定向耦合器B的端口B与输出端口B连接；

所述交叉横跨定向耦合器A的结构关于横向中心线对称；所述交叉横跨定向耦合器B和交叉横跨定向耦合器A结构相同；

所述任意输出相位横跨定向耦合器C与任意输出相位横跨定向耦合器A结构相同；

所述终端开路横跨定向耦合线B与终端开路横跨定向耦合线A结构相同；

整个网络的结构关于横向中心线对称；

所述输出端口A、输出端口B、输出端口C和输出端口D的相位由任意输出相位横跨定向耦合器A、任意输出相位横跨定向耦合器B、任意输出相位横跨定向耦合器C和任意输出相位横跨定向耦合器D的相位以及相移线A、相移线B、相移线C和相移线D的相位决定，其具体关系如下：

当输入端口A被激励时，输出端口A与输入端口A之间的相位差为输出端口B与输入端口A之间的相位差为输出端口C与输入端口A之间的相位差为输出端口D与输入端口A之间的相位差为

当输入端口B被激励时，输出端口A与输入端口B之间的相位差为输出端口B与输入端口B之间的相位差为输出端口C与输入端口B之间的相位差为输出端口D与输入端口B之间的相位差为

当输入端口C被激励时，输出端口A与输入端口C之间的相位差为输出端口B与输入端口C之间的相位差为输出端口C与输入端口C之间的相位差为输出端口D与输入端口C之间的相位差为

当输入端口D被激励时，输出端口A与输入端口D之间的相位差为输出端口B与输入端口D之间的相位差为输出端口C与输入端口D之间的相位差为输出端口D与输入端口D之间的相位差为

其中：代表任意输出相位横跨定向耦合器A和任意输出相位横跨定向耦合器B的相位，代表相移线A和相移线B的总相移或相移线C和相移线D的总相移，代表任意输出相位横跨定向耦合器C和任意输出相位横跨定向耦合器D的相位。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A由平行耦合线A、平行耦合线B、并联小圆形开路枝节A、并联小圆形开路枝节B、并联大圆形开路枝节A、并联大圆形开路枝节B和跨接电容C1、C2、C3构成；所述跨接电容C1、C2和C3并联在平行耦合线A和平行耦合线B之间；平行耦合线A的上端设置端口A、下端设置端口B，平行耦合线B的上端设置端口C、下端设置端口D；并联小圆形开路枝节A和并联大圆形开路枝节A设置在平行耦合线A的一侧，并联小圆形开路枝节B和并联大圆形开路枝节B设置在平行耦合线B的一侧。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A的结构关于纵向中心线对称。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A、任意输出相位横跨定向耦合器B、任意输出相位横跨定向耦合器C和任意输出相位横跨定向耦合器D的输出端口间相位差在0～-180°范围内任意选择。

进一步地，所述交叉横跨定向耦合器A由第一平行耦合线、第二平行耦合线、第三平行耦合线和第四平行耦合线、连接线A、连接线B和跨接电容C13、C14、C15、C16、C17、C18构成；所述第一平行耦合线的左右两端分别设置端口A和端口B，所述第四平行耦合线的左右两端分别设置端口C和端口D；所述第二平行耦合线和第三平行耦合线的左端通过连接线A连接，所述第二平行耦合线和第三平行耦合线的右端通过连接线B连接；所述跨接电容C13、C14和C15并联在第一平行耦合线和第二平行耦合线之间，所述跨接电容C16、C17和C18并联在第三平行耦合线和第四平行耦合线之间。

进一步地，所述终端开路横跨定向耦合线A由平行耦合线C、平行耦合线D、六个并联圆形开路枝节和跨接电容C25、C26、C27构成；所述跨接电容C25、C26和C27并联在平行耦合线C和平行耦合线D之间，所述平行耦合线C的两端分别设置端口A和端口B；所述平行耦合线C和平行耦合线D各均布三个并联圆形开路枝节。

进一步地，所述交叉横跨定向耦合器A和交叉横跨定向耦合器B各自的输出端口与输入端口间相位差为-90°；所述终端开路横跨定向耦合线A、终端开路横跨定向耦合线B、终端开路横跨定向耦合线C和终端开路横跨定向耦合线D各自输出端口与输入端口间的相位差为-90°。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A和任意输出相位横跨定向耦合器B的输出相位相同，所述任意输出相位横跨定向耦合器C和任意输出相位横跨定向耦合器D的输出相位相同；所述任意输出相位横跨定向耦合器A或任意输出相位横跨定向耦合器B与任意输出相位横跨定向耦合器C或任意输出相位横跨定向耦合器D的输出相位不同。

进一步地，所述跨接电容的容值相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用任意输出相位横跨定向耦合器实现了具有输出端口间相位差任意的Butler矩阵波束形成网络，提高了天线阵波束指向的灵活性。

2、本发明通过将交叉横跨定向耦合器、终端开路横跨定向耦合线和相移线结合，实现了体积较小的butler矩阵波束形成网络。

3、本发明具有易加工和低成本的优点，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的任意输出相位横跨定向耦合器A的结构示意图；

图3是本发明的交叉横跨定向耦合器A的结构示意图；

图4是本发明的终端开路横跨定向耦合线A的结构示意图；

图5是本发明的各输入输出端口阻抗匹配情况结果图；

图6是本发明的各输入输出端口功率传输情况结果图；

图7是本发明的不同输入端口激励下输出端口间相位结果图。

图中：1、输入端口A，2、输入端口B，3、输入端口C，4、输入端口D，5、输出端口A，6、输出端口B，7、输出端口C，8、输出端口D，11、任意输出相位横跨定向耦合器A，12、任意输出相位横跨定向耦合器B，21、任意输出相位横跨定向耦合器C，22、任意输出相位横跨定向耦合器D，31、交叉横跨定向耦合器A，32、交叉横跨定向耦合器B，41、终端开路横跨定向耦合线A，42、终端开路横跨定向耦合线B，43、终端开路横跨定向耦合线C，44、终端开路横跨定向耦合线D，111、平行耦合线A，112、平行耦合线B，113、并联小圆形开路枝节A，114、并联小圆形开路枝节B，115、并联大圆形开路枝节A，116、并联大圆形开路枝节B，311、第一平行耦合线，312、第二平行耦合线，313、第三平行耦合线，314、第四平行耦合线，319、连接线A，3110、连接线B，411、平行耦合线C，412、平行耦合线D，413、并联圆形开路枝节，511、相移线A，512、相移线B，513、相移线C，514、相移线D。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，在以下说明中讲到的“对称”只是借用对称的概念来说明组成和功能方面的相同，并非指结构形状本身相同。

如图1-4所示，输出端口间相位差任意的butler矩阵波束形成网络，包括四个输入端口、四个输出端口、四个任意输出相位横跨定向耦合器、两个交叉横跨定向耦合器、四个终端开路横跨定向耦合线和四条相移线；

所述的四个输入端口分别为输入端口A1、输入端口B2、输入端口C3和输入端口D4，四个输出端口分别为输出端口A5、输出端口B6、输出端口C7和输出端口D8，四个任意输出相位横跨定向耦合器分别为任意输出相位横跨定向耦合器A11、任意输出相位横跨定向耦合器B12、任意输出相位横跨定向耦合器C21和任意输出相位横跨定向耦合器D22，两个交叉横跨定向耦合器分别为交叉横跨定向耦合器A31和交叉横跨定向耦合器B32，四个终端开路横跨定向耦合线分别为终端开路横跨定向耦合线A41、终端开路横跨定向耦合线B42、终端开路横跨定向耦合线C43和终端开路横跨定向耦合线D44，四条相移线分别为相移线A511、相移线B512、相移线C513和相移线D514；

所述输入端口A1和输入端口B2分别与任意输出相位横跨定向耦合器A11的端口A和端口B连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11的端口C与终端开路横跨定向耦合线A41的端口A通过相移线A511连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11的端口D与交叉横跨定向耦合器A31的端口A连接；所述终端开路横跨定向耦合线A41的端口B与任意输出相位横跨定向耦合器C21的端口A通过相移线B512连接，所述交叉横跨定向耦合器A31的端口B与任意输出相位横跨定向耦合器C21的端口B连接；

所述任意输出相位横跨定向耦合器C21的端口C与终端开路横跨定向耦合线B42的端口A连接，所述任意输出相位横跨定向耦合器C21的端口D与交叉横跨定向耦合器B32的端口A连接；所述终端开路横跨定向耦合线B42的端口B与输出端口A5连接，所述交叉横跨定向耦合器B32的端口B与输出端口B6连接；

所述交叉横跨定向耦合器A31的结构关于横向中心线对称；所述交叉横跨定向耦合器B32和交叉横跨定向耦合器A31结构相同；

所述任意输出相位横跨定向耦合器C21与任意输出相位横跨定向耦合器A11结构相同；

所述终端开路横跨定向耦合线B42与终端开路横跨定向耦合线A41结构相同；

整个网络的结构关于横向中心线对称；

所述输出端口A5、输出端口B6、输出端口C7和输出端口D8的相位由任意输出相位横跨定向耦合器A11、任意输出相位横跨定向耦合器B12、任意输出相位横跨定向耦合器C21和任意输出相位横跨定向耦合器D22的相位以及相移线A511、相移线B512、相移线C513和相移线D514的相位决定，其具体关系如表1所示：

表1

其中：代表任意输出相位横跨定向耦合器A11和任意输出相位横跨定向耦合器B12的相位，代表相移线A511和相移线B512的总相移或相移线C513和相移线D514的总相移，代表任意输出相位横跨定向耦合器C21和任意输出相位横跨定向耦合器D22的相位。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11由平行耦合线A111、平行耦合线B112、并联小圆形开路枝节A113、并联小圆形开路枝节B114、并联大圆形开路枝节A115、并联大圆形开路枝节B116和跨接电容C1、C2、C3构成；所述跨接电容C1、C2和C3并联在平行耦合线A111和平行耦合线B112之间；平行耦合线A111的上端设置端口A、下端设置端口B，平行耦合线B112的上端设置端口C、下端设置端口D；并联小圆形开路枝节A113和并联大圆形开路枝节A115设置在平行耦合线A111的一侧，并联小圆形开路枝节B114和并联大圆形开路枝节B116设置在平行耦合线B112的一侧。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11的结构关于纵向中心线对称。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11、任意输出相位横跨定向耦合器B12、任意输出相位横跨定向耦合器C21和任意输出相位横跨定向耦合器D22的输出端口间相位差在0～-180°范围内任意选择。

进一步地，所述交叉横跨定向耦合器A31由第一平行耦合线311、第二平行耦合线312、第三平行耦合线313和第四平行耦合线314、连接线A319、连接线B3110和跨接电容C13、C14、C15、C16、C17、C18构成；所述第一平行耦合线311的左右两端分别设置端口A和端口B，所述第四平行耦合线314的左右两端分别设置端口C和端口D；所述第二平行耦合线312和第三平行耦合线313的左端通过连接线A319连接，所述第二平行耦合线312和第三平行耦合线313的右端通过连接线B3110连接；所述跨接电容C13、C14和C15并联在第一平行耦合线311和第二平行耦合线312之间，所述跨接电容C16、C17和C18并联在第三平行耦合线313和第四平行耦合线314之间。

进一步地，所述终端开路横跨定向耦合线A41由平行耦合线C411、平行耦合线D412、六个并联圆形开路枝节413和跨接电容C25、C26、C27构成；所述跨接电容C25、C26和C27并联在平行耦合线C411和平行耦合线D412之间，所述平行耦合线C411的两端分别设置端口A和端口B；所述平行耦合线C411和平行耦合线D412各均布三个并联圆形开路枝节413。

进一步地，所述交叉横跨定向耦合器A31和交叉横跨定向耦合器B32各自的输出端口与输入端口间相位差为-90°；所述终端开路横跨定向耦合线A41、终端开路横跨定向耦合线B42、终端开路横跨定向耦合线C43和终端开路横跨定向耦合线D44各自输出端口与输入端口间的相位差为-90°。

进一步地，所述任意输出相位横跨定向耦合器A11和任意输出相位横跨定向耦合器B12的输出相位相同，所述任意输出相位横跨定向耦合器C21和任意输出相位横跨定向耦合器D22的输出相位相同；所述任意输出相位横跨定向耦合器A11或任意输出相位横跨定向耦合器B12与任意输出相位横跨定向耦合器C21或任意输出相位横跨定向耦合器D22的输出相位不同。

下面描述本发明的具体实施例。

在本发明的具体实施例中，令得到的四个输出端口间的相位差分别为-65°，115°，-155°，25°。

图5-6显示了本发明实施例的S参数，用于描述各个端口之间传递信号的情况。Sii是指所有端口接匹配负载时向i端口看去的反射系数；Sij表示其他端口接匹配负载时，j端口到i端口的传输系数。

如图5所示，实施例butler矩阵的中心频率为2.0GHz。在1.7GHz到2.2GHz的频率范围内，输入端口和输出端口的回波损耗均大于10dB。如图6所示，在中心频率2GHz处，各输入端口与各输出端口的传输系数均为-6dB。

图7显示了本发明实施例的输出端口间相位参数，用于描述当不同输入端口被激励时，输出端口间的相位关系。从图中可以看到，本发明实施例在中心频率2GHz处实现了-65°，115°，-155°，25°的相位。

结果表明，本实施例可以实现任意的输出端口间相位差，同时保证了良好的端口阻抗匹配和信号功率传输。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。