一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵

摘要

本发明提供一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵，涉及无线通信系统领域，包括四个3‑dB混合电桥、四个可调移相器、输入端口1～4以及输出端口5～8，利用这样的一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵，充分利用可重构技术，实现了输出端口之间相位差360°全相位可调，可用于2×2天线面阵或1×4天线线阵的馈电，实现天线波束的二维或一维扫描。极大的提高了传统巴特勒矩阵的功能性与实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统领域，尤其是一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵。

背景技术

多波束天线由于能够产生多个同时但独立的高增益定向波束已经得到了广泛得研究和应用。多波束天线主要由天线阵列和波束形成网络组成，波束形成网络是进行天线波束扫描的关键部件。传统的波束形成网络如ButlerMatrix，NolenMatrix，透镜天线等有着低成本，简易性等特点，已经得到的广泛地研究和应用。

传统的波束形成网络，如巴特勒矩阵(ButlerMatrix)等虽然有着结构简单，成本较低等优点，但其缺点也很显著。即传统的无源波束形成网络只能产生几个固定的输出相位差，对应的阵列天线波束固定，只能在有限个天线波束之间切换，天线波束无法连续扫描。现代通信系统中，收发前端往往需要一个或者多个准确可控的天线波束。显然传统无源波束形成网络已经无法满足此需求。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵包括四个3-dB混合电桥、四个可调移相器、输入端口1～4以及输出端口5～8；

第一3-dB混合电桥的两个输入端口分别与输入端口1和输入端口2连接，两个输出端口分别与第一可调移相器的输入端口和第四3-dB混合电桥的一个输入端口连接；

第二3-dB混合电桥的两个输入端口分别与输入端口3和输入端口4连接，两个输出端口分别与第二可调移相器的输入端口和第四3-dB混合电桥的另一个输入端口连接；

第三3-dB混合电桥的两个输入端口分别与第一可调移相器的输出端口和第二可调移相器的输出端口连接，两个输出端口分别与第三可调移相器的输入端口和输出端口7连接；

第四3-dB混合电桥的两个输出端口分别与第四可调移相器的输入端口和输出端口8连接；

第三可调移相器的输出端口与输出端口5连接、第四可调移相器的输出端口与输出端口6连接。

优选的，所述第一可调移相器、第二可调移相器、第三可调移相器、第四可调移相器的相移量分别为-90°～90°、-90°～0°、-90°～90°、-90°～90°。

优选的，所述第一可调移相器、第二可调移相器产生的相移量是y方向的相移量；第三可调移相器、第四可调移相器产生的相移量是x方向的相移量；

x方向和y方向在空间中相互垂直。

优选的，所述四个可调移相器的相移量均为-90°～90°。

优选的，所述第一可调移相器、第二可调移相器、第三可调移相器、第四可调移相器产生的相移量是同一方向的相移量。

优选的，所述可调移相器为可调反射式移相器，可调反射式移相器由耦合器和加载在耦合器直通端口、耦合端口上的可调变容二极管组成。

优选的，所述3-dB混合电桥包括两个输入端口和两个输出端口，当两个输入端口中的任一个输入端口有信号输入时，这个3-dB混合电桥将输入信号分为两个互为等幅、且具有90°相位差的信号，分别从两个输出端口输出。

优选的，输入端口1～4中的某一个端口作为输入端口时，其他输入端口中的一个或多个连接匹配负载；

匹配负载用于在能量传输时产生负载阻抗，负载阻抗与输入端口的特征阻抗相等。

本发明的有益效果体现在：

相比与传统的4×4巴特勒矩阵，本发明提出的连续可调的巴特勒矩阵，不需要交叉结，简化了网络的复杂度。同时利用了可调移相器代替固定移相器，使得输出端口之间的相位差是可调的，相对于传统的无源波束形成网络，具有更大的实用性，更强大的功能。

附图说明

图1为传统4×4巴特勒矩阵架构原理示意图；

图2为本发明实施例的相差360°连续可调的巴特勒矩阵电路网络架构示意图；

图3为本发明实施例的巴特勒矩阵信号从不同端口输入时，信号功分路径示意图；

图4为本发明实施例的二维馈电网络原理示意图；

图5为本发明实施例的一维馈电网络原理示意图；

图6为本发明实施例的可调移相器原理示意图；

图7为本发明实施例的可调移相器仿真性能示意图；

图8a为本发明实施例的巴特勒矩阵用于2×2天线阵列馈电网络时，S参数(左)和输出相差(右)的仿真结果示意图，步进为90°；

图8b为本发明实施例的巴特勒矩阵用于1×4天线阵列馈电网络时，S参数(左)和输出相差(右)的仿真结果示意图，步进为90°。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参阅图2，本发明实施例提供一种小型化输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵包括四个3-dB混合电桥、四个可调移相器、输入端口1～4以及输出端口5～8；

第一3-dB混合电桥11的两个输入端口分别与输入端口1和输入端口2连接，两个输出端口分别与第一可调移相器21的输入端口和第四3-dB混合电桥14的一个输入端口连接；

第二3-dB混合电桥12的两个输入端口分别与输入端口3和输入端口4连接，两个输出端口分别与第二可调移相器22的输入端口和第四3-dB混合电桥14的另一个输入端口连接；

第三3-dB混合电桥13的两个输入端口分别与第一可调移相器21的输出端口和第二可调移相器22的输出端口连接，两个输出端口分别与第三可调移相器23的输入端口和输出端口7连接；

第四3-dB混合电桥14的两个输出端口分别与第四可调移相器24的输入端口和输出端口8连接；

第三可调移相器23的输出端口与输出端口5连接、第四可调移相器24的输出端口与输出端口6连接。

图1示出传统4×4巴特勒矩阵架构原理示意图，相比于传统4×4巴特勒矩阵，本发明提出的巴特勒矩阵，不需要交叉结3，简化了网络的复杂度。同时利用了可调移相器代替固定移相器4，使得输出端口之间的相位差是可调的，相对于传统的无源波束形成网络，具有更大的实用性，更强大的功能。

为了提高系统的灵活性，集成度及实用性，可将传统无源波束形成网络与可重构技术结合，使得传统的波束形成网络具有更多的功能性与实用性，但又一定程度地保留其低成本的优势。

本实施例提出一种输出相差360°连续可调的巴特勒矩阵，充分利用可重构技术，实现了输出端口之间相位差360°全相位可调，可用于2×2天线面阵或1×4天线线阵的馈电，实现天线波束的二维或一维扫描。极大的提高了传统巴特勒矩阵的功能性与实用性。

优选的，所述第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24的相移量分别为0°～90°、-90°～0°、-90°～90°、-90°～90°。

优选的，所述第一可调移相器21、第二可调移相器22产生的相移量是y方向的相移量；第三可调移相器23、第四可调移相器24产生的相移量是x方向的相移量。

x方向和y方向在空间中相互垂直。

图3示出巴特勒矩阵信号从不同输入端口输入时，信号功分路径示意图，图5示出一维馈电网络。

假设第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24的相移量分别为90°-θ，-θ，90°-2θ，90°-2θ。当信号从输入端口1输入的时候，输入端口2～3接匹配负载，输出端口5～8之间的相差为Δφ＝-θ。同理输入端口2、3、4分别为输入端口时，其他输入端口接匹配负载，在输出端口5-8可分别产生相差Δφ＝180°-θ、Δφ＝270°-θ、Δφ＝90°-θ。若θ为0°-90°连续可调，则输出端口之间的相差Δφ可实现-90°～270°连续可调，即实现了一个360°全相差可调的巴特勒矩阵。此时第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24的相移量分别为0°～90°、-90°～0°、-90°～90°、-90°～90°。

优选的，所述四个可调移相器的相移量均为-90°～90°。

优选的，所述第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24产生的相移量是同一方向的相移量。

图4示出二维馈电网络，假设第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24的相移量分别为θ，θ，Φ，Φ。输出端口5～8存在x方向和y方向上的相差。

x方向的相差包括输出端口5和输出端口7，输出端口6和输出端口8之间的相差。

y方向的相差包括输出端口5输出端口6，输出端口7和输出端口8之间的相差。

当信号从输入端口1输入的时候，输入端口2和输入端口3接匹配负载，输出端口的相差为Δx＝θ-90°，Δy＝90°-Φ。同理端口2、3、4分别为输入端口时，在输出端口可分别产生相差Δx＝θ-90°，Δy＝Φ-90°、Δx＝90°-θ，Δy＝90°-Φ、Δx＝90°-θ，Δy＝Φ-90°。若θ和Φ均为-90°～90°连续可调，则输出端口相差Δx和Δy可实现-180°～180°连续可调，即实现了一个360°全相差可调的巴特勒矩阵。第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24的相移量均为-90°～90°。

显然，第一可调移相器21、第二可调移相器22、第三可调移相器23、第四可调移相器24均采用同一可调移相器，且相移范围均为-90°～90°，则二维馈电网络和一维馈电网络可共用同一物理结构。如上分析，本发明中的可调巴特勒矩阵，只需要4个3-dB混合电桥，4个180°可调模拟移相器。即可实现一个输出相差连续360°全相差可调的波束形成网络。可见该网络架构相对于传统无源波束形成网络，具有更强大的功能，更好的实用性。

优选的，所述可调移相器为可调反射式移相器，可调反射式移相器由耦合器和加载在耦合器直通端口、耦合端口上的可调变容二极管组成。

在具体实现过程中，发明实例采用基片集成波导技术，在双层基板上实现本发明中的可调巴特勒矩阵。工作频率为5.5GHz-6GHz。其中4个3-dB混合电桥分别采用E面和H面基片集成波导耦合器。180°可调模拟移相器采用基片集成波导反射式移相器，具体结构如图6所示。通过在耦合器直通端口和耦合端口上加载可调变容二极管实现一个可调反射式移相器。如图7所示，可调移相器输出相差调节范围为-90°-90°。将可调移相器，3-dB混合电桥按图2所示网络架构连接，仿真验证其性能。

图8显示了不同直流偏置电压下，本发明实例输出相差可调巴特勒矩阵仿真的S参数，展示了该可调网络实例360°连续可调输出相差，可应用于一维或者二维天线阵列馈电网络。仿真结果表明本发明提出的网络架构设计理念正确可行。

优选的，所述3-dB混合电桥包括两个输入端口和两个输出端口，当两个输入端口中的任一个输入端口有信号输入时，这个3-dB混合电桥将输入信号分为两个互为等幅、且具有90°相位差的信号，分别从两个输出端口输出。

优选的，输入端口1～4中的某一个端口作为输入端口时，其他输入端口中的一个或多个连接匹配负载；

匹配负载用于在能量传输时产生负载阻抗，负载阻抗与输入端口的特征阻抗相等。

本实施例中，匹配负载的作用就是将信号无反射的吸收。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。