技术领域
[0001] 本
发明属于
微波工程领域，涉及一种新型的8×8Butler矩阵馈电网络。
背景技术
[0002] Butler矩阵是一种
电路类波束成形网络，它同时具备多个输入和输出端口，其相关端口间的
相位关系非常奇特，主要用在对波束指向有特殊要求的天线系统中，如第三代移动通信系统的智能天线等。这种馈电矩阵有很清晰的物理意义，在电路上也比较容易实现，因此得到了广泛的研究。
[0003] Butler矩阵是一个完全无源和互易的网络，这种馈电矩阵使用了具有90度
相移特性的3db定向
耦合器和不同相移特性的固定
移相器。用于一个N单元线天线阵的Butler矩阵应该具有相应的N个输入端口和N个输出端口，并因此能产生相应的N个波束。其中N为正整数，通常为2的正整数次方。对于Butler矩阵，在其任意一个输入端加上一个
信号，在所有输出端得到等幅的信号，各相邻单元间
相位差相等。由于Butler矩阵和天线是完全互易的，所以Butler矩阵既可用于发射也可用于接收。
[0004] Butler矩阵可以非常容易的通过微带线来实现，但是在一个平面内实现它时却不可避免地要产生导体交叉,即Butler馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用。
[0005] Butler矩阵的带宽取决于其采用的90度相移特性的3db定向耦合器和固定移相器的带宽，现有的Butler矩阵的带宽通常在5%-15%之间。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：现有的Butler矩阵馈电网络必须使用跨接器才能够在平面上实现，这增加了其复杂程度，还在一定程度上限制了Butler馈电矩阵的使用，而且其带宽一般不超过15%。
[0007] 为解决上述Butler矩阵馈电网络的问题，本发明提供一种新型8×8Butler矩阵馈电网络，设置在波束形成设备的波束端口和天线阵列的天线端口之间，采用微带电路方式实现，加工在背靠背粘结一起上下两层对称放置的双面覆
铜PCB板上。本发明的Butler矩阵馈电网络具有8个输出端和8个输入端，包括十二个3分贝90度定向耦合器、四个45°固定移相器、二个67.5°固定移相器3、二个22.5°固定移相器以及用于取代常规跨接器的八个垂直金属过孔。十二个3分贝90度定向耦合器平均分为三组，第一组包括第一、第二、第三和第四3分贝90度定向耦合器，第二组包括第五、第六、第七和第八3分贝90度定向耦合器，第三组包括第九、第十、第十一和第十二3分贝90度定向耦合器。第一组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与第三组3分贝90度定向耦合器，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器；第三组3分贝90度定向耦合器一端与第二组3分贝90度定向耦合器连接，另一端连接到天线单元。第六3分贝90度定向耦合器、第八3分贝90度定向耦合器、第十3分贝90度定向耦合器和第十二3分贝90度定向耦合器位于下层PCB板上，其它八个3分贝90度定向耦合器位于上层PCB板上。
[0008] 两个67.5°固定移相器和两个22.5°固定移相器设置在第一组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间；四个45°固定移相器设置在第三组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间。
[0009] 第一个金属过孔用于连接第一3分贝90度定向耦合器和第六3分贝90度定向耦合器，第二个金属过孔用于连接第二3分贝90度定向耦合器、一个22.5°固定移相器和第六3分贝90度定向耦合器，第三个金属过孔用于连接第三3分贝90度定向耦合器和第八3分贝90度定向耦合器，第四个金属过孔用于连接第四3分贝90度定向耦合器、一个67.5°固定移相器和第八3分贝90度定向耦合器，第五个金属过孔和第六个金属过孔用于连接第九3分贝90度定向耦合器和第七3分贝90度定向耦合器，第七个金属过孔和第八个金属过孔用于连接第六3分贝90度定向耦合器和第十二3分贝90度定向耦合器；连接的微带线均不相交。
[0010] 所述的3分贝90度定向耦合器均为3分支的分支线定向耦合器，22.5°，45°，67.5°固定移相器为宽带Schiffman移相器。本发明的馈电网络依靠金属过孔在上下两层PCB板之间进行信号传递。
[0011] 本发明具有以下优点和积极效果：
[0012] （一）以简单的金属过孔取代了复杂的跨接器，极大地简化了Butler矩阵馈电网络的结构，而且减小了其体积，增多了其适用场合；
[0013] （二）采用3分支的分支线定向耦合器作为Butler矩阵的基本单元，电气性能比2分支的分支线定向耦合器有了很大提高；
[0014] （三）采用宽带Schiffman移相器作为移相单元，配合3分支的分支线定向耦合器展宽了Butler矩阵的带宽；
[0015] （四）Butler矩阵馈电网络采用微带电路方式实现，可利用印刷电路制作方式进行加工，工艺简单，一致性好，易于加工和大批量生产。
附图说明
[0016] 图1是本发明的8×8Butler矩阵馈电网络的结构示意图；
[0017] 图2是垂直金属过孔示意图；
[0018] 图3是三分支的3分贝90度定向耦合器的示意图；
[0019] 图4是Schiffman差分移相器示意图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图来对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明提供的8×8Butler矩阵馈电网络的结构采用3分支的分支线定向耦合器和宽带Schiffman移相器来实现，并使用一种新型金属过孔结构来代替常规的跨接器，在上下两层对称放置的PCB板上实现，并且该新型Butler矩阵馈电网络的相对带宽＞25%。
[0022] 如图1所示，为本发明所提供的新型的8×8Butler矩阵馈电网络，其在上下两层对称放置的双面覆铜PCB板上以微带电路形式实现，两个双面覆铜PCB板背靠背粘结一起。ABCDEFGH这8个端口为输入端口，与波束形成设备的输出端口相连；IJKLMNOP这8个端口为输出端口，与天线单元相连。本发明与常规结构最大的不同是去掉了跨接器，所有元器件放置在两个PCB板裸露的平面上。由图1可见，本发明
实施例给出的新型8×8Butler矩阵馈电网络共包含12个3分贝90度定向耦合器，四个45°固定移相器2和二个67.5°固定移相器3，二个22.5°固定移相器4以及用于取代常规跨接器的八个垂直金属过孔1。12个3分贝90度定向耦合器分为三组，其中第一3分贝90度定向耦合器101、第二3分贝90度定向耦合器102、第三3分贝90度定向耦合器103和第四3分贝90度定向耦合器104为第一组，第五3分贝90度定向耦合器201、第六3分贝90度定向耦合器202、第七3分贝90度定向耦合器203和第八3分贝90度定向耦合器204为第二组，第九3分贝90度定向耦合器301、第十3分贝90度定向耦合器302、第十一3分贝90度定向耦合器303和第十二
3分贝90度定向耦合器304为第三组。本发明实施例中第六3分贝90度定向耦合器202、第八3分贝90度定向耦合器204、第十3分贝90度定向耦合器302和第十二3分贝90度定向耦合器304及其部分
连接线放置于下层PCB上，与其它8个定向耦合器不在一个平面上，不在一个平面上的连线用虚线表示。其中第一组3分贝90度定向耦合器一端与波束端口相连，另一端连接到第二组3分贝90度定向耦合器；第二组3分贝90度定向耦合器一端与第三组3分贝90度定向耦合器，另一端连接到第一组3分贝90度定向耦合器；第三组3分贝90度定向耦合器一端与第二组3分贝90度定向耦合器，另一端连接到天线单元。
67.5°固定移相器3和22.5°固定移相器4设置在第一组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间；45°固定移相器2设置在第三组3分贝90度定向耦合器和第二组3分贝90度定向耦合器之间。
[0023] 在两层PCB板上加工有八个垂直金属过孔1。金属过孔1的
位置有两个选择原则，一是两个金属过孔的位置不能过近，否则会产生耦合；二是金属过孔不能离它所要规避的那条微带线过近。具体本发明实施例中所设置的八个金属过孔的位置在：
[0024] （1）第一个金属过孔用于连接第一3分贝90度定向耦合器101和第六3分贝90度定向耦合器202，具体该金属过孔位于第一3分贝90度定向耦合器101的上方，并且该金属过孔在上层PCB板上与第一3分贝90度定向耦合器101之间连接的微带线不与其它微带线交互，在下层PCB板上直接通过微带线连接第六3分贝90度定向耦合器202。
[0025] （2）第二个金属过孔用于连接第二3分贝90度定向耦合器102和第六3分贝90度定向耦合器202，具体该金属过孔位于第六3分贝90度定向耦合器202的下方，在上层PCB板上通过微带线依次连接一个22.5°固定移相器4和第二3分贝90度定向耦合器102，在下层PCB板上通过微带线连接第六3分贝90度定向耦合器202。
[0026] （3）第三个金属过孔用于连接第三3分贝90度定向耦合器103和第八3分贝90度定向耦合器204，具体该金属过孔位于第三3分贝90度定向耦合器103的附近，并且该金属过孔在上层PCB板上与第三3分贝90度定向耦合器103之间连接的微带线不与其它微带线交互，在下层PCB板上直接通过微带线连接第八3分贝90度定向耦合器204。
[0027] （4）第四个金属过孔用于连接第四3分贝90度定向耦合器104和第八3分贝90度定向耦合器204，具体该金属过孔位于第八3分贝90度定向耦合器204的下方，在上层PCB板上通过微带线依次连接一个67.5°固定移相器3和第四3分贝90度定向耦合器104，在下层PCB板上通过微带线连接第八3分贝90度定向耦合器204。
[0028] （5）第五个金属过孔和第六个金属过孔用于连接第九3分贝90度定向耦合器301和第七3分贝90度定向耦合器203，第五个和第六个金属过孔都位于第十3分贝90度定向耦合器302和第六3分贝90度定向耦合器202之间，且相连的微带线不相交。
[0029] （6）第七个金属过孔和第八个金属过孔用于连接第六3分贝90度定向耦合器202和第十二3分贝90度定向耦合器304，第七个和第八个金属过孔都位于第十一3分贝90度定向耦合器303和第七3分贝90度定向耦合器203之间，且相连的微带线不相交。
[0030] 图1中1所指代的是新型垂直金属过孔，用这种金属过孔能够将与其连接的微带线的信号在上下两层PCB板间传递，而且经过验证该金属过孔结构的回波损耗在全频域上均低于-33db，传输系数接近于0db。
[0031] 金属过孔的结构如图2所示，其中A和B是2层对称放置的PCB板，两层PCB板相粘结的面设为地，C为金属过孔结构，D为在接地板上的开孔。值得注意的是，在第二组3分贝90度定向耦合器和第三组3分贝90度定向耦合器之间，由于用于连接的微带线走线比较复杂，为了完全规避其他微带线，在一条微带线上需要安装多个金属过孔1，即需要将信号在2层PCB板间多次传递，如第五个和第六个金属过孔。在新型8×8Butler矩阵馈电网络共使用8个新型垂直金属过孔1，取代了4个跨接器，大大节省了馈电网络的空间并简化了其复杂程度。本发明实施例中采用相对
介电常数2.55、厚度0.8mm的PCB介质板，以4.8GHz为中心
频率，在HFSS
软件中建立如图3所示的金属过孔1的拓扑结构。经过优化，在金属过孔C的半径为1.1mm，地板开孔D半径为1.8mm时，过孔C具有最接近微带传输线的电性能。此时其在全频域上回波损耗低于-33db,传输系数不大于-0.15。在具体使用中由于金属过孔的结构造成一定相位偏移，可通过在没有使用金属过孔的微带线中增加一定的长度来补偿由金属过孔引起的相移。
[0032] 如图3所示，3分贝90度定向耦合器采用的是3分支的分支线定向耦合器，具有两个输入端口Port1和Port2，两个输出端口Port3和Port4。
[0033] 如图4所示，45°固定移相器2、22.5°固定移相器3和67.5°固定移相器4均为宽带Schiffman移相器，宽带Schiffman移相器由直通端和耦合段两部分组成，a1～a4是四个端口，连接对应位置的3分贝90度定向耦合器的输出端，利用差分的效果来实现特定度数的移相。45°固定移相器、67.5°固定移相器3和22.5°固定移相器具体设置到哪个PCB板上可根据工程需要来确定。
[0034] 本发明实施例所制作的新型8×8Butler矩阵馈电网络的相对带宽＞25%。且本发明的馈电网络采用印刷电路制作方式进行加工，工艺简单，一致性好，易于加工和大批量生产。
