一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵及多波束天线

摘要

本申请提供了一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵及多波束天线，巴特勒矩阵包括：第一功率分配器的输出端口分别与第三移相器的输入端口和第五输出端口连接，第二功率分配器的输出端口分别与第四移相器的输入端口和第六输出端口连接，第三功率分配器的输出端口分别与第五移相器的输入端口和第七输出端口连接，第四功率分配器的输出端口分别与第六移相器的输入端口和第八输出端口连接；第三移相器的输出端口与第一输出端口连接，第四移相器的输出端口与第二输出端口连接，第五移相器的输出端口与第三输出端口连接，第六移相器的输出端口与第四输出端口连接。通过双层巴特勒矩阵可将分频器从原来五组减少到一组，减少使用的体积，加工成本低。

说明书

技术领域

本申请涉及无线通信领域，特别是一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵及多波束天线。

背景技术

巴特勒矩阵是一种流行的波束赋形网络，多用于多波束阵列天线。与反射镜和罗特曼透镜等其他波束赋形网络相比，巴特勒矩阵具有宽带和配置灵活等优点。

经典巴特勒矩阵是一个N×N网络，用于生成均匀的幅度和线性相位分布。实际上，基于天线阵列理论，均匀激励的线性阵列的旁瓣电平约为–13 dB。此外，考虑到阵元间的相互耦合，实现的旁瓣电平约为–10 dB。旁瓣抑制的一种有效方法是采用锥形幅度分布。基于这种方法，4×8巴特勒矩阵是一种非常流行的用于多波束旁瓣抑制的波束赋形网络。

然而，与N×N的巴特勒矩阵相比，4×8巴特勒矩阵是一个复杂得多的波束赋形网络，并且覆盖的区域更大。因此，简化配置和提高紧凑性是有意义的。结构复杂的主要因素是在经典的4×8巴特勒矩阵中引入了大量的波导交叉结构。

参照图1，为经典的巴特勒矩阵示意图，对于这样一个八输出(#5-#12)的巴特勒矩阵，经典的4 × 8巴特勒矩阵中有五组波导交叉部分，这通常导致经典的4 × 8巴特勒矩阵非常复杂且体积庞大。并且，为了保持所需的相位一致性，需要几个180°移相器连接到经典4×8巴特勒矩阵一半的输出端口，如图1中的φ3所示。如何通过删除一些波导交叉结构来减小体积是有待解决的问题。

发明内容

鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵及多波束天线，包括：

一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵，包括：

第一耦合器的两个输入端口分别与第一输入端口和第二输入端口连接，所述第一耦合器的两个输出端口分别与第一移相器和第四耦合器的输入端口连接；

第二耦合器的两个输入端口分别与第三输入端口和第四输入端口连接，所述第二耦合器的两个输出端口别与第二移相器和第三耦合器的输入端口连接；

第三耦合器的另一输入端口与第一移相器的输出端口连接，所述第三耦合器的两个输出端口分别与第一功率分配器和第三功率分配器的输入端口连接；

第四耦合器的另一输入端口与第二移相器的输出端口连接，所述第四耦合器的两个输出端口分别与第二功率分配器和第四功率分配器的输入端口连接；

所述第一功率分配器的输出端口分别与第三移相器的输入端口和第五输出端口连接，所述第二功率分配器的输出端口分别与第四移相器的输入端口和第六输出端口连接，所述第三功率分配器的输出端口分别与第五移相器的输入端口和第七输出端口连接，所述第四功率分配器的输出端口分别与第六移相器的输入端口和第八输出端口连接；

所述第三移相器的输出端口与第一输出端口连接，所述第四移相器的输出端口与第二输出端口连接，所述第五移相器的输出端口与第三输出端口连接，所述第六移相器的输出端口与第四输出端口连接。

优选地，所述巴特勒矩阵还包括第一波导交叉结构和第二波导结构；

所述第一功率分配器的输出端口和所述第五输出端口的传输路径与所述第三功率分配器的输出端口和所述第五移相器的输入端口的传输路径形成第一波导交叉结构；

所述第二功率分配器的输出端口和所述第六输出端口的传输路径与所述第四功率分配器的输出端口和所述第六移相器的输入端口的传输路径形成第二波导交叉结构。

优选地，所述巴特勒矩阵的平均插入损耗为0.35 dB。

一种多波束天线，包括对称缝隙阵列、基板集成波导以及如上所述的基于基板集成波导的巴特勒矩阵；其中，所述巴特勒矩阵为双层巴特勒矩阵；

所述基板集成波导设于所述双层巴特勒矩阵之间，所述对称缝隙阵列与所述双层巴特勒矩阵连接。

优选地，所述对称缝隙阵列包括八个缝隙单元，八个所述缝隙单元呈一列分布。

优选地，所述缝隙单元包括缝隙和设于缝隙一侧的通孔，其中，通孔位置相同的第一缝隙单元、第二缝隙单元、第三缝隙单元和第四缝隙单元的通孔分别与通孔位置相同的第五缝隙单元、第六缝隙单元、第七缝隙单元和第八缝隙单元的通孔位置相反。

优选地，所述缝隙单元设有输入端口；

所述第一缝隙单元的输入端口与所述第一输出端口连接，所述第二缝隙单元的输入端口与所述第二输出端口连接，所述第三缝隙单元的输入端口与所述第三输出端口连接，所述第四缝隙单元的输入端口与所述第四输出端口连接，所述第五缝隙单元的输入端口与所述第五输出端口连接，所述第六缝隙单元的输入端口与所述第六输出端口连接，所述第七缝隙单元的输入端口与所述第七输出端口连接，所述第八缝隙单元的输入端口与所述第八输出端口连接。

优选地，八个相邻的所述缝隙单元之间的距离分别为0.58倍的波长。

优选地，所述第一缝隙单元、所述第二缝隙单元、所述第三缝隙单元、所述第四缝隙单元、所述第五缝隙单元、所述第六缝隙单元、所述第七缝隙单元以及所述第八缝隙单元的幅度比分别为0.16、0.361、0.799、1、1、0.799、0.361以及0.16。

优选地，所述多波束天线由层压板制成。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，通过第一耦合器的两个输入端口分别与第一输入端口和第二输入端口连接，所述第一耦合器的两个输出端口分别与第一移相器和第四耦合器的输入端口连接；第二耦合器的两个输入端口分别与第三输入端口和第四输入端口连接，所述第二耦合器的两个输出端口别与第二移相器和第三耦合器的输入端口连接；第三耦合器的另一输入端口与第一移相器的输出端口连接，所述第三耦合器的两个输出端口分别与第一功率分配器和第三功率分配器的输入端口连接；第四耦合器的另一输入端口与第二移相器的输出端口连接，所述第四耦合器的两个输出端口分别与第二功率分配器和第四功率分配器的输入端口连接；所述第一功率分配器的输出端口分别与第三移相器的输入端口和第五输出端口连接，所述第二功率分配器的输出端口分别与第四移相器的输入端口和第六输出端口连接，所述第三功率分配器的输出端口分别与第五移相器的输入端口和第七输出端口连接，所述第四功率分配器的输出端口分别与第六移相器的输入端口和第八输出端口连接；所述第三移相器的输出端口与第一输出端口连接，所述第四移相器的输出端口与第二输出端口连接，所述第五移相器的输出端口与第三输出端口连接，所述第六移相器的输出端口与第四输出端口连接。通过双层巴特勒矩阵的配置可以将所需的分频器从原来的五组减少到仅一组来解决4×8巴特勒矩阵中的存在过度的波导交叉问题，减少使用的体积，加工成本低，能够广泛地应用到毫米波基站和WIFI的高速通信。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的经典的4 × 8巴特勒矩阵的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵的出传输系数示意图；

图4是本申请一实施例提供的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵的相位差示意图；

图5是本申请一实施例提供的一种多波束天线的仿真模型示意图；

图6是本申请一实施例提供的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵的仿真模型示意图；

图7是本申请一实施例提供的一种对称缝隙阵列的结构示意图；

图8是本申请一实施例提供的不同激励的仿真模式的示意图；

图9是本申请一实施例提供的一种多波束天线的结构示意图；

图10 a是本申请一实施例提供的一种多波束天线的反射系数示意图；

图10 b是本申请一实施例提供的一种多波束天线的隔离系数示意图；

图10 c是本申请一实施例提供的一种多波束天线的增益示意图；

图11 a是本申请一实施例提供的一种多波束天线在28 GHz下仿真和测量的共极化示意图；

图11 b是本申请一实施例提供的第一输入端口的共极化和交叉极化示意图；

图11 c是本申请一实施例提供的第二输入端口的同向和交叉极化示意图。

图中：

1、第一输入端口；2、第二输入端口；3、第三输入端口；4、第四输入端口；5、第一输出端口；6、第二输出端口；7、第三输出端口；8、第四输出端口；9、第五输出端口；10、第六输出端口；11、第七输出端口；12、第八输出端口；13、第一耦合器；14、第二耦合器；15、第三耦合器；16、第四耦合器；21、第一移相器；22、第二移相器；23、第三移相器；24、第四移相器；25、第五移相器；26、第六移相器；31、第一功率分配器；32、第二功率分配器；33、第三功率分配器；34、第四功率分配器；41、第一波导交叉结构；42、第二波导交叉结构；51、巴特勒矩阵；52、基板集成波导；53、对称缝隙阵列；531、缝隙单元；5311、缝隙；5312、通孔。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图2，示出了本申请一实施例提供的一种基于基板集成波导52的巴特勒矩阵51，包括：

第一耦合器13的两个输入端口分别与第一输入端口1和第二输入端口2连接，所述第一耦合器13的两个输出端口分别与第一移相器21和第四耦合器16的输入端口连接；

第二耦合器14的两个输入端口分别与第三输入端口3和第四输入端口4连接，所述第二耦合器14的两个输出端口别与第二移相器22和第三耦合器15的输入端口连接；

第三耦合器15的另一输入端口与第一移相器21的输出端口连接，所述第三耦合器15的两个输出端口分别与第一功率分配器31和第三功率分配器33的输入端口连接；

第四耦合器16的另一输入端口与第二移相器22的输出端口连接，所述第四耦合器16的两个输出端口分别与第二功率分配器32和第四功率分配器34的输入端口连接；

所述第一功率分配器31的输出端口分别与第三移相器23的输入端口和第五输出端口9连接，所述第二功率分配器32的输出端口分别与第四移相器24的输入端口和第六输出端口10连接，所述第三功率分配器33的输出端口分别与第五移相器25的输入端口和第七输出端口11连接，所述第四功率分配器34的输出端口分别与第六移相器26的输入端口和第八输出端口12连接；

所述第三移相器23的输出端口与第一输出端口5连接，所述第四移相器24的输出端口与第二输出端口6连接，所述第五移相器25的输出端口与第三输出端口7连接，所述第六移相器26的输出端口与第四输出端口8连接。

在本申请的实施例中，通过第一耦合器13的两个输入端口分别与第一输入端口1和第二输入端口2连接，所述第一耦合器13的两个输出端口分别与第一移相器21和第四耦合器16的输入端口连接；第二耦合器14的两个输入端口分别与第三输入端口3和第四输入端口4连接，所述第二耦合器14的两个输出端口别与第二移相器22和第三耦合器15的输入端口连接；第三耦合器15的另一输入端口与第一移相器21的输出端口连接，所述第三耦合器15的两个输出端口分别与第一功率分配器31和第三功率分配器33的输入端口连接；第四耦合器16的另一输入端口与第二移相器22的输出端口连接，所述第四耦合器16的两个输出端口分别与第二功率分配器32和第四功率分配器34的输入端口连接；所述第一功率分配器31的输出端口分别与第三移相器23的输入端口和第五输出端口9连接，所述第二功率分配器32的输出端口分别与第四移相器24的输入端口和第六输出端口10连接，所述第三功率分配器33的输出端口分别与第五移相器25的输入端口和第七输出端口11连接，所述第四功率分配器34的输出端口分别与第六移相器26的输入端口和第八输出端口12连接；所述第三移相器23的输出端口与第一输出端口5连接，所述第四移相器24的输出端口与第二输出端口6连接，所述第五移相器25的输出端口与第三输出端口7连接，所述第六移相器26的输出端口与第四输出端口8连接。通过双层巴特勒矩阵51的配置可以将所需的分频器从原来的五组减少到仅一组来解决4×8巴特勒矩阵51中的存在过度的波导交叉问题，减少使用的体积，加工成本低，能够广泛地应用到毫米波基站和WIFI的高速通信。

下面，将对本示例性实施例中一种基于基板集成波导52的巴特勒矩阵51作进一步地说明。

在本申请一实施例中，所述巴特勒矩阵51还包括第一波导交叉结构41和第二波导结构42；

所述第一功率分配器31的输出端口和所述第五输出端口9的传输路径与所述第三功率分配器33的输出端口和所述第五移相器25的输入端口的传输路径形成第一波导交叉结构41；

所述第二功率分配器32的输出端口和所述第六输出端口10的传输路径与所述第四功率分配器34的输出端口和所述第六移相器26的输入端口的传输路径形成第二波导交叉结构42。

作为一种示例，双层4×8巴特勒矩阵51能够提供具有相同功率和所需相位的四个输出。幅度耦合器可以帮助将具有相等功率分配的四个输出转换为具有不相等功率分布的八个输出。本申请应用的双层结构本质上可以帮助隔离传输路径，从而减少路径交叉点。原理上需要四个90°耦合器和四个功率分配器（D1和D2）。使用这种描述结构，所需的波导交叉部分大大减少。如图2所示，双层4×8巴特勒矩阵51只有一组波导交叉结构存在。

在本申请一实施例中，所述巴特勒矩阵51的平均插入损耗为0.35 dB。

在一具体实现中，本申请的双层4×8巴特勒矩阵51的性能如图3和图4所示。八个输出端口的传输系数绘制在图3中。根据功率比，即 0.16、0.361、 0.799、1，功率不均等地分为8个端口。由于总波束赋形网络带来的幅度不平衡，实现的分布存在一定的误差。以28GHz 的结果为例，八个输出端口的归一化幅度分别为0.098、0.252、0.672、0.832、1、0.831、0.255 和 0.098。双层4×8巴特勒矩阵51的平均插入损耗为0.35 dB。相邻输出端口之间的相位差如图4所示。在±5°时观察到最大的相位误差。

在本申请一实施例中，如图5-图7所示，还提供了一种多波束天线，包括对称缝隙阵列53、基板集成波导52以及如上所述的基于基板集成波导52的巴特勒矩阵51；其中，所述巴特勒矩阵51为双层巴特勒矩阵；

所述基板集成波导52设于所述双层巴特勒矩阵之间，所述对称缝隙阵列53与所述双层巴特勒矩阵连接。

下面，将对本示例性实施例中一种多波束天线作进一步地说明。

在本申请一实施例中，所述对称缝隙阵列53包括八个缝隙单元531，八个所述缝隙单元531呈一列分布。具体地，所述对称缝隙阵列53为1×8缝隙阵列。

在本申请一实施例中，所述缝隙单元531包括缝隙5311和设于缝隙一侧的通孔5312，其中，通孔5312位置相同的第一缝隙单元、第二缝隙单元、第三缝隙单元和第四缝隙单元的通孔5312分别与通孔位置相同的第五缝隙单元、第六缝隙单元、第七缝隙单元和第八缝隙单元的通孔5312位置相反。

作为一种示例，第一缝隙单元、第二缝隙单元、第三缝隙单元和第四缝隙单元分别对称于第八缝隙单元、第七缝隙单元、第六缝隙单元和第五缝隙单元。

在本申请一实施例中，所述缝隙单元531设有输入端口；

所述第一缝隙单元的输入端口与所述第一输出端口5连接，所述第二缝隙单元的输入端口与所述第二输出端口6连接，所述第三缝隙单元的输入端口与所述第三输出端口7连接，所述第四缝隙单元的输入端口与所述第四输出端口8连接，所述第五缝隙单元的输入端口与所述第五输出端口9连接，所述第六缝隙单元的输入端口与所述第六输出端口10连接，所述第七缝隙单元的输入端口与所述第七输出端口11连接，所述第八缝隙单元的输入端口与所述第八输出端口12连接。

作为一种示例，用符号“+”或“-”表示补偿或不补偿180°相位差的情况。如图7所示，为对称缝隙阵列53的结构示意图，所述巴特勒矩阵51一半的输出端口连接到180°移相器以保持特定的相位分布。为了简化波束赋形网络设计，可以方便地反转所应用的缝隙单元531以补偿这些180°相位差，本申请应用的辐射单元是具有匹配通孔5312的对称缝隙阵列53，这些堆成的缝隙阵列自然地有180°的相位差。

在本申请一实施例中，八个相邻的所述缝隙单元531之间的距离分别为0.58倍的波长。

在本申请一实施例中，所述第一缝隙单元、所述第二缝隙单元、所述第三缝隙单元、所述第四缝隙单元、所述第五缝隙单元、所述第六缝隙单元、所述第七缝隙单元以及所述第八缝隙单元的幅度比分别为0.16、0.361、0.799、1、1、0.799、0.361以及0.16。

作为一种示例，参照图1，对于这样一个八输出 (#5-#12) 巴特勒矩阵51，最终阵列天线的方向图很难满足理想的泰勒或切比雪夫分布来实现低副瓣。而在本申请的巴特勒矩阵51中，准切比雪夫分布被应用在最终的多波束低副瓣的阵列综合中。八个缝隙单元531的幅度比分别为0.16、0.361、0.799、1、1、0.799、0.361和0.16。为了更好地比较等幅同相的激励和车比雪夫分布的低副瓣激励的方向图，具有这三种类型激励的普通阵列的仿真方向图参照图 8所示。可以看到，准切比雪夫激励也可以像理想切比雪夫一样有效地降低副瓣水平。

在一具体实现中，参照图9所示，为本实施例多波束天线的最终加工的结构示意图。为了便于测量，引入了基板集成波导52到微带线的过渡，以连接到2.40 mm端接连接器。所述多波束天线由0.508毫米Rogers RT/duroid RO5880层压板制成，螺钉和铝板用于将单独的层紧固在一起。

参照图10 a-c为所述多波束天线的反射和隔离系数的示意图。在工作频率内，S11、S22、S33和S44低于-15 dB，S21、S31 和 S41 低于-12 dB。所述多波束天线获得的增益如图10 c所示。在中心频率(28 GHz)下，第一输入端口1、第二输入端口2、第三输入端口3第四输入端口4的激励的测量增益分别为11.6、11.1、12.2 和 10.9 dBi。图11a-c显示了辐射方向图。生成的28 GHz 的四个波束如图11 a所示。第一输入端口1、第二输入端口2、第三输入端口3第四输入端口4波束的仿真的旁瓣水平分别为-20、-18、-20 和-16 dB。所有仿真和测量结果的最大旁瓣水平分别为-16 和-13 dB。为了评估整个频率内的辐射稳定性，在27.5、28和 28.5 GHz 处测量的同极化和交叉极化电平如图11 b-c 所示。观察到的最大交叉极化电平为-15 dB。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种基于基板集成波导的巴特勒矩阵及多波束天线，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。