一種基于Butler陣的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Butler陣的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，輸入端口與輸出端口數(shù)都為6個，上下共有兩層，第一層包括三個相互獨立的二路定向耦合器甲、乙和丙，第二層包括兩個相互獨立的三路定向耦合器甲和乙；本發(fā)明將“三路分配/合路”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于多波束形成網(wǎng)絡(luò)，從而得到一種端口數(shù)更為靈活的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使得此種Butler矩陣在實際應(yīng)用場景中具有更強(qiáng)的靈活性與適應(yīng)性。
【專利說明】
一種基于But I er陣的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及波束形成網(wǎng)絡(luò)Butler(巴特勒)陣射頻電路相關(guān)技術(shù)，具體指一種引入 三路定向耦合器具有較強(qiáng)靈活性與創(chuàng)新性的多端口微帶電路矩陣。
【背景技術(shù)】
[0002] 此種新型的平面三路定向耦合器可用作3x3波束成形網(wǎng)絡(luò)提供正交三波束切換功 能。其組成包括兩條長度約為3Ag/4(Ag為介質(zhì)板中的波長)的傳輸線以及一條長度約為Ag/ 6的傳輸線。這種耦合器無源、低功耗，具有3個輸入3個輸出共計六個互易端口，每個從輸入 端口處進(jìn)入的信號會被均分并以相同的幅度從輸出端口處輸出，且三個端口之間產(chǎn)生固定 的相位差值，大小分別為-120°，0與+120°。在5.6-6.0GHz的測試環(huán)境下，該設(shè)計的回波損耗 小于-10dB，隔離度大于15dB，功分不平衡性小于正負(fù)1.3dB，相移不平衡性小于正負(fù)14°。終 上所述，此種三路定向耦合器能夠在7%的相對帶寬中實現(xiàn)良好的匹配與隔離性能，兼具準(zhǔn) 確的功分特性和穩(wěn)定的相移特性。
[0003] 其特定性能定義如下：（定義其輸出端口分別為?〇^1、？〇^2、？〇竹3，輸出端口為 Port4、Port5、Port6,盡管實際上輸入/輸出端口滿足收發(fā)互易，但為便于描述權(quán)且如此規(guī) 定）
[0004] i.所有端口均可實現(xiàn)理想匹配；
[0005] ii.由外部進(jìn)入Portl端口的能量按照一定比例(通常為等比例，最好為可調(diào)比例） 被分配至？〇1^4、？〇1^5、？〇1^6，而完全不進(jìn)入？〇1^2、？〇1^3;
[0006] ;1;[;[.被分配至?01^4、？01^5、？01^6的能量滿足一定的（最好為等差)相位關(guān)系，該 相位關(guān)系能夠在一定頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；
[0007] iv.Port4、Port5、Po;rt6之間任意兩端口彼此隔離；
[0008] v · Port2、Port3 同樣具備上述i i、i i i、i v之特性；
[0009] vi.收發(fā)端口可互易。
[0010] 圖1為所述的新型三路定向耦合器的微帶電路結(jié)構(gòu)簡圖，長度不一的長方形代表 特征阻抗不同的微帶線。
[0011] 波束形成網(wǎng)絡(luò)是一種有多個輸入端口和多個輸出端口的饋電網(wǎng)絡(luò)。對每一輸入端 口進(jìn)行激勵時，功率以一定的比例分配給輸出端口且在相鄰輸出端口之間會產(chǎn)生恒定的相 位差，但從不同輸入端口輸入時，相位差不同，這樣在每個端口輸入下天線的方向圖都不相 同，從而實現(xiàn)多波束。產(chǎn)生波束掃描所需要的相移可以通過不等長的傳輸線或者專門的移 相器來實現(xiàn)，Butler陣是一種以模擬方法實現(xiàn)波束形成的無源網(wǎng)絡(luò)，其基本構(gòu)成單元是 3dB/90°定向耦合器和固定移相器。相較于其他無源多波束網(wǎng)絡(luò)，Butler矩陣具有增益無 損、波束正交、收發(fā)互易、結(jié)構(gòu)簡單、可采用微帶電路加工等獨特優(yōu)勢，成為最常用的一種模 擬多波束形成的方法。
[0012] Butler矩陣的本質(zhì)是將入射波的能量分配到不同的路徑中，最終到達(dá)N個不同的 輸出端口，理想的Butler矩陣在N個輸出端口的信號功率是相等的。同時，由于經(jīng)過不同路 徑的信號在輸出端有不同的相位延遲，合理的調(diào)節(jié)傳輸線的長度結(jié)合3dB定向耦合器和固 定移相器就可以達(dá)到這樣一個效果：當(dāng)激勵入射波從一個端口輸入時，在N個輸出端得到等 幅的出射波，同時相鄰波束之間會產(chǎn)生相同的相位超前或延遲，從而產(chǎn)生一個偏離法向的 波束，進(jìn)而改變整個陣列的波束指向。當(dāng)激勵不同的輸入端時，會在N個輸出端產(chǎn)生新的相 位差，形成不同方向的波束指向。
[0013] 圖2所示的是一個4x4的Butler矩陣的一般結(jié)構(gòu)圖，此種Butler陣可實現(xiàn)4個固定 方向的波束切換，可視為Butler陣的子陣。它由4個定向耦合器、2個-45°移相器組成。1-4為 輸入端口，5-8為輸出端口。當(dāng)信號從一個輸入端口進(jìn)入時，從輸出端得到兩兩之間有恒定 相位差，且功率相等的四路信號。但不同輸入端口輸入的信號，所得相位差不同，每路輸入 信號所對應(yīng)的具體相位差如圖3所示，相位差分別是±45°和± 135°。
[0014] 由于經(jīng)典Butler陣的功率分配由二路定向耦合器實現(xiàn)，對于NXN(其中N=2k，k為 不小于2的整數(shù)）的Butler陣，需要(NXlog2N)/2個二路定向耦合器、同時需要(k-l)XN/2 個固定相位移相器。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可看作以4X4子陣為基礎(chǔ)向橫向（同層）和縱向（層間）擴(kuò) 展、并通過逐層調(diào)整固定移相器的移相值實現(xiàn)等幅度等相差特性。由于子陣結(jié)構(gòu)固定，多端 口 Butler陣雖性能可靠且穩(wěn)定，端口數(shù)卻被嚴(yán)格限制為2的k次冪，這一點極大的限制了它 在不同應(yīng)用場景中的適應(yīng)性，大大削弱了其靈活性，成為了 Butler陣今后在電子領(lǐng)域被廣 泛應(yīng)用并繼續(xù)蓬勃發(fā)展的一大障礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)Butler陣僅基于二路分支線定向耦合器設(shè)計并與 固定相位差移相器進(jìn)行組合設(shè)計所導(dǎo)致的端口數(shù)限制一一端口數(shù)目為且僅為2的N次冪，繼 而造成的成形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境單一且要求苛刻等缺點，提出了一種通過引入新型三路分支線 定向耦合器并與傳統(tǒng)二路分支線定向耦合器進(jìn)行有機(jī)組合，并進(jìn)行科學(xué)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè) 計所得到的全新6x6But 1 er陣設(shè)計，在保證But ler陣仍然具有低回波損耗、高隔離度、等親 合、準(zhǔn)確的相位分布與較寬的工作頻帶等良好特性的前提下，極大的提升了 But 1 er陣在實 際應(yīng)用中的靈活性與各種設(shè)計情境中的適應(yīng)性，使得Butler陣的當(dāng)下應(yīng)用與發(fā)展前景都得 到了極大的拓寬。
[0016] 當(dāng)由二路和三路定向耦合器混合構(gòu)成Butler陣時，端口數(shù)可能是大于3的任何整 數(shù);并且兩種耦合器既可能并行分布于同層，也可能在不同層，不存在固定的基礎(chǔ)子陣，其 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和移相器參數(shù)設(shè)計將更為復(fù)雜。本發(fā)明延續(xù)采用定向耦合器和固定移相器作為基 本器件構(gòu)成正交多波束成形網(wǎng)絡(luò)的思想;根據(jù)基本器件不同的端口數(shù)，采用基于二叉樹、三 叉樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邏輯推演結(jié)合計算機(jī)輔助設(shè)計實現(xiàn)對6x6端口數(shù)Butler陣的設(shè)計，在此基 礎(chǔ)上歸納出該新型Butler陣的設(shè)計方法。遵循Butler陣設(shè)計的各項原則并將首次引入的新 型三路分支線定向耦合器的影響因素考慮在內(nèi)，通過科學(xué)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計后可得 6x6Butler陣：為滿足6輸入端口與6輸出端口（#7-#12)，本發(fā)明所述的此種新型 6x6Butler陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要被劃分兩層，輸入側(cè)算起第一層為并排的三個二路分支線定向 耦合器（即3dB電橋甲、乙、丙），第二層為并排的兩個新型三路分支線定向耦合器甲和乙，為 滿足從不同輸入端輸入時Butler陣的相鄰輸出端口間能具有相同的相位差數(shù)值，在第一層 與第二層之間左右兩側(cè)的連接線上分別添加一個-30°固定相位差移相器。將以上器件的各 端口按照科學(xué)合理的設(shè)計進(jìn)行連接，最終可得輸出端相位差包括±60°、±90°與±120°的 6x6Butler陣。入射波從每個輸入端口射入時對應(yīng)所有輸出端口的出射波相位情況及每兩 個輸出端口之間的相位差如下表所示。
[0018] 表1每路輸入信號對應(yīng)出射波相位及相鄰兩信號相位差
[0019] 此發(fā)明的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：
[0020] (1)將三路定向耦合器應(yīng)用于Butler陣構(gòu)建；
[0021 ] (2)通過二路、三路定向親合器的組合使用實現(xiàn)6x6Butler陣。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0023] (1)本發(fā)明將"三路分配/合路"拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于多波束形成網(wǎng)絡(luò)，從而得到一種端口 數(shù)更為靈活的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使得此種Butler矩陣在實際應(yīng)用場景中具有更強(qiáng) 的靈活性與適應(yīng)性；
[0024] (2)本發(fā)明在實現(xiàn)其創(chuàng)新性能的同時仍然保持了經(jīng)典Butler陣設(shè)計所具有的低回 波損耗、高隔離度、等耦合、準(zhǔn)確的相位分布與較寬的工作頻帶等一系列良好性能特性；
[0025] (3)本發(fā)明可作為多端口 Butler陣的子陣之一進(jìn)行橫向與縱向的拓展，結(jié)合實際 需求進(jìn)行相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，從而獲得端口數(shù)大于3的任意端口數(shù)Butler陣，為其以后在 全新應(yīng)用環(huán)境下的延伸發(fā)展提供了極大的可能性。
【附圖說明】
[0026]圖1為的新型三路定向耦合器。
[0027] 圖2為一個4x4的Butler矩陣的一般結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖3為4x4Butler矩陣每路輸入信號所對應(yīng)的不同輸出相位差。
[0029]圖4為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0030]圖5為本發(fā)明的ADS半物理層面仿真模型。
[0031]圖6為本發(fā)明#1輸入端口對應(yīng)各項性能仿真結(jié)果。
[0032]圖7為本發(fā)明對應(yīng)的±90°相位差饋源天線陣方向圖仿真結(jié)果。
[0033] 具體實現(xiàn)方式
[0034]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0035]本發(fā)明是一種基于Butler陣的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)，輸入與輸出端口數(shù)都為6個。 但由于一共有五個耦合器且其中有奇數(shù)個二路定向耦合器，傳統(tǒng)Butler陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的偶數(shù) 對稱在本發(fā)明中變?yōu)槠鏀?shù)對稱，因而在何處添加多少度的固定相位移相器，需要重新規(guī)劃 與設(shè)計，通過逐層調(diào)整實現(xiàn)最終輸出端口處的等幅度等相差特性。綜合考慮耦合器的相移 特性與此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不同層級間的連接方式，為實現(xiàn)相鄰的輸出端口間的等相位差特性， 最終可以確定在第一二層之間兩側(cè)的兩條傳輸線上添加兩個移相值為30°的固定相位差移 相器對相位進(jìn)行修正。
[0036]如圖4所示，本設(shè)計共有兩層主要結(jié)構(gòu)，第一層包括三個相互獨立的二路定向耦合 器一一3dB電橋甲、乙、丙，第二層包括兩個相互獨立的三路定向耦合器甲和乙；
[0037]從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下方由下向上開始觀察、分析，不難發(fā)現(xiàn)甲、乙和丙的輸入端從左至右 依次形成6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸入端口#1至#6，，因二路定向耦合器由同一輸入端所得的兩輸 出信號相位差為定值90°，第一層中同一耦合器的兩輸出端理論上應(yīng)分別與第二層兩個三 路定向耦合器的同一端口相連以保證不再進(jìn)一步引發(fā)額外的相位差產(chǎn)生。故3dB電橋甲的 輸出端口a與3路分支線定向親合器甲的輸入端口g通過一個-30°固定相位移相器互相連 接，同理，3dB電橋丙輸出端口 f亦通過一個-30°固定相位移相器與3路分支線定向親合器乙 的輸入端口 1相連。此外，三個二路耦合器的剩余輸出端口也與兩個三路耦合器的剩余輸入 端口--對應(yīng)相互連接，其中b對應(yīng)j，c對應(yīng)h，d對應(yīng)k，e對應(yīng)i，由此構(gòu)成了該But 1 er陣中第 一層與第二層的電路連接設(shè)計;考慮到三路定向耦合器由同一輸入端所得輸出信號的固定 相位差分別為-120°、0°和+120°，為保證無源波束成形網(wǎng)絡(luò)的相移功能穩(wěn)定實現(xiàn)，第二層耦 合器輸出端應(yīng)以第一層已產(chǎn)生的相位差為前提，實現(xiàn)激勵單一激勵源時相鄰輸出端口之間 產(chǎn)生固定的相位差，故第二層兩個三路分支線定向耦合器的輸出端交錯排布，即三路定向 耦合器甲的三個輸出端口從左至右依次排布形成6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸出端口 #7、輸出端口 # 9、輸出端口 # 11，三路定向耦合器乙的三個輸出端口則分別對應(yīng)6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸出端 口#8、輸出端口#10、輸出端口#12,以上所述端口#7至#12-同構(gòu)成了6x6新型Butler陣的六 個輸出端口。因為本發(fā)明的陣型明顯為左右對稱，故在進(jìn)行相位分析時只針對端口 #1、#2、# 3進(jìn)行分析，并通過對稱性質(zhì)映射全部端口的相位差變化情況。但由于第一層存在奇數(shù)個 (三個)相互獨立的二路定向耦合器，#3、#4端口輸入所得的對應(yīng)輸出信號相位情況較傳統(tǒng) Butler陣較為特殊。
[0038]假設(shè)最初的輸入信號相對相位為0°。由端口 1輸入的信號經(jīng)過二路定向耦合器輸 出為兩個幅度相等、相位差90°的輸出信號，其一從a輸出經(jīng)過30°固定相位移相器后傳輸至 三路定向耦合器輸入端口g，另一與之相差90°的信號由b輸出直接傳至相互獨立的另一個 三路定向耦合器乙的輸入端口 j，此時兩信號相位差為60°。由于三路定向耦合器的等幅度 固定相位差特性，這兩個信號在經(jīng)過三路耦合器后輸出分別變?yōu)橄鄬ο辔粸?30°、_150°、-270°和-90°、-210°、-330°的六個輸出信號，分別對應(yīng)輸出端口#7、#9、#11、#8、#10、#12處的 出射波，由此推算便可知輸出端兩兩端口之間的相位差為定值-60°。以此類推進(jìn)行推算，亦 可知由激勵輸入端口 2所得的六個輸出信號兩兩之間的相位差為定值120°。
[0039]由于第一層的奇數(shù)個二路定向耦合器設(shè)計的影響，使用上面所述的方式進(jìn)行推 算，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射波從#3、#4端口輸入時，輸出端出射波兩兩之間相位差并不是傳統(tǒng) Butler陣所期望的固定相位差值，而是交錯變換的±90°相位差。這一特性是針對本發(fā)明 6x6端口實際需求，結(jié)合Butler陣包括阻抗匹配、端口隔離、移向精度、插入損耗和實現(xiàn)難度 等諸多性能要求后為獲得最優(yōu)化性能而進(jìn)行折衷獲得的最終設(shè)計結(jié)果。且通過仿真可以確 認(rèn)±90°交錯的輸出信號作為信源輸入相應(yīng)的偶極子天線陣列所獲得的波瓣指向正前方 向，與0°相位差輸出信號的實際效果相同。相鄰出射波之間相位差為±90°的波瓣方向圖仿 真結(jié)果如附圖7所示。
[0040]圖5為本發(fā)明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計在仿真軟件ADS中的半物理層面仿真模型。預(yù)設(shè)工作頻 率5.8GHz，相對介電常數(shù)2.65，介質(zhì)基板厚度0.8mm。整個Butler陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖4所示結(jié)構(gòu) 保持完全一致，圖中與左側(cè)6個輸入端口相連的4port S封裝電子器件為二路分支線定向耦 合器，其后穿插連入的30symbol為-30°固定相位移相器的對應(yīng)封裝器件模型，右側(cè)的兩個 主要器件6p 〇rts則是新型三路分支線定向耦合器的封裝模型，兩者的所有右側(cè)端口與端口 表示器件相連形成6個輸出端口。圖6為本發(fā)明中激勵#1端口對應(yīng)出射波各項性能在ADS中 的仿真結(jié)果示例。在設(shè)定的5.8GHz工作頻率下對該電路進(jìn)行仿真，著重觀察電路整體是否 滿足良好的功分特性以及各端口相位差固定的相移特性。由于仿真結(jié)果包含6個輸入端分 別對應(yīng)的六組數(shù)據(jù)，而本設(shè)計具備左右對稱的物理特性及端口互易特性，故只需針對性的 研究信號從左側(cè)# 1、#2、#3三個輸入端口輸入時對應(yīng)所有輸出信號的相應(yīng)性能情況即可映 射獲得整個Butler陣的性能仿真結(jié)果，而在實際操作過程中我們發(fā)現(xiàn)除兩兩相鄰的輸出信 號之間的相位差按照預(yù)設(shè)有所區(qū)分外，其他性能仿真結(jié)果(包括與各個輸出端口的插入損 耗和與其他輸入端口的隔離度等）皆十分相近，故在此取#1端口作為輸入端時對應(yīng)輸出的 仿真結(jié)果作為具有代表性的研究對象進(jìn)行深入分析研究。圖6的三個圖片分別為#1端口對 應(yīng)的插入損耗、相鄰輸出信號相位差以及輸入端口之間的端口隔離度。觀察圖6(a)端口 1與 6個輸出端口對應(yīng)的插入損耗不難看出，在預(yù)設(shè)工作頻率5.8GHz下，在頻率范圍5.7GHz-6.1GHz內(nèi)#1端口相關(guān)的所有插入損耗大小皆為-7.8dB± ldB，可解讀為等耦合，即由1端口 輸入的信號功率被均分至6個輸出端口形成六個等功率的輸出信號；由圖6(b)可知，工作頻 率下激勵1端口時獲得的兩兩相鄰的輸出信號之間存在固定相位差60° ±5°，移向準(zhǔn)確，符 合Butler陣的相位差設(shè)定；圖6(c)則清晰說明了在預(yù)設(shè)的工作頻率下輸入端口之間具有理 想的的插入損耗極高的隔離度，兩者皆小于等于-10dB，工作環(huán)境穩(wěn)定可靠，十分理想。之后 以從#2至#6的不同端口作為輸入端進(jìn)行仿真對所得結(jié)果的研究觀察皆可知其符合預(yù)設(shè)要 求。綜上所述，本發(fā)明在保證低回波損耗、高隔離度、等耦合、準(zhǔn)確的相位分布等一些列特性 的前提下成功增加端口數(shù)量至6x6,獲得了性能理想的Butler陣設(shè)計。
【主權(quán)項】
1. 一種基于Butler陣的新型6x6多波束網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，輸入端口與輸出端口數(shù)都為 6個，上下共有兩層，第一層包括三個相互獨立的二路定向耦合器甲、乙和丙，第二層包括兩 個相互獨立的三路定向耦合器甲和乙； 二路定向耦合器甲、乙、丙的輸入端從左至右依次形成6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸入端口#1 至#6,二路定向耦合器甲的輸出端口a通過-30°固定相位移相器連接三路定向耦合器甲的 輸入端口g，二路定向耦合器丙的輸出端口f通過-30°固定相位移相器連接三路定向耦合器 乙的輸入端口 1，二路定向耦合器甲的輸出端口 b連接三路定向耦合器乙的輸入端口 j，二路 定向親合器乙的輸出端口 c和輸出端口 d分別連接三路定向親合器甲的輸入端口 h和三路定 向親合器乙的輸入端口 k，二路定向親合器丙的輸出端口 e連接三路定向親合器甲的輸入端 口 i，第二層兩個三路分支線定向親合器的輸出端交錯排布，即三路定向親合器甲的三個輸 出端口從左至右依次排布形成6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸出端口 #7、輸出端口 #9、輸出端口 # 11，三 路定向耦合器乙的三個輸出端口則分別對應(yīng)6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的輸出端口 #8、輸出端口 # 10、 輸出端口 # 12，所述輸出端口 #7至# 12構(gòu)成6x6多波束網(wǎng)絡(luò)的六個輸出端口。
【文檔編號】H01P5/18GK106025475SQ201610412718
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】丁軻佳, 白晉宇
【申請人】北京航空航天大學(xué)