CN109494481A - 一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第一欧姆电阻、第二欧姆电阻、第一接地线、第二接地线、地板和同轴电缆；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述2×4巴特勒矩阵有2个信号输入端口，分别为第一输入端口和第二输入端口，有4个输出端口，分别为第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口。本发明采用微带结构来实现，结构简单，制造容易，尺寸小，损耗小，且交叉线的隔离度高，可以提高波束形成网络的隔离度和阻抗匹配。

Description

一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络。
背景技术
随着移动通信技术的迅速发展和移动通信业务量的急剧增加，正面临着通信小区间信号干扰强、频谱容量不足和信号覆盖窄等问题。多波束天线可以同时产生多个波束的方向图特性，可以增加网络容量；另外，多波束天线易实现窄波束和高增益，可以降低信号干扰和增加覆盖距离。因此，多波束天线具有广泛的应用前景和价值。
其中，Butler(巴特勒)矩阵是多波束天线的重要组成部分，是产生多波束特性的关键部件。然而，现有技术中的Butler(巴特勒)矩阵的结构复杂，且具有较高的耗损，有待于进一步地完善。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第一欧姆电阻、第二欧姆电阻、第一接地线、第二接地线、地板和同轴电缆；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述2×4巴特勒矩阵有2个信号输入端口，分别为第一输入端口和第二输入端口，有4个输出端口，分别为第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口；
所述第一定向耦合器的第一输入端连接到第一输入端口，第一定向耦合器的第二输入端与第一欧姆电阻的一端连接，第一欧姆电阻的另一端与第一接地线连接，第一接地线与地板连接；第一定向耦合器的第一输出端与第一传输线输入端连接，第一传输线的输出端与连接第三定向耦合器的第一输入端连接；第一定向耦合器的第二输出端与第三传输线的输入端连接，第三传输线的第一中间端与同轴电缆的第一内导体端连接，同轴线第二内导体端与第三传输线的第二中间端连接，第三传输线的输出端与第四定向耦合器的第一输入端连接；第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口，第二定向耦合器的第一输入端与第二欧姆电阻的一端连接，第二欧姆电阻的另一端与第二接地线连接，第二接地线与地板连接；第二定向耦合器的第一输出端与第四传输线的输入端连接，第四传输线的输出端与第三定向耦合器的第二输入端连接；第二定向耦合器的第二输出端与第二传输线输入端连接，第二传输线的输出端与第四定向耦合器的第二输入端连接；其中第三定向耦合器的第一输出端为第一输出端口，第三定向耦合器的第二输出端为第二输出端口，第四定向耦合器的第一输出端为第三输出端口，第四定向耦合器的第二输出端为第四输出端口。
进一步地，第一至第四定向耦合器均采用微带结构来实现，第一至第四定向耦合器均印刷在一PCB介质板的顶部。
进一步地，所述第一至第四定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧，所述第一至第四定向耦合器具有90度相移特性。
进一步地，第一定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
进一步地，第二定向耦合器为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器。
进一步地，第三定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
进一步地，第四定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
进一步地，第一至第四传输线均采用微带结构来实现，第一至第四传输线均印刷在PCB介质板的顶部。
进一步地，第一传输线的传输相位相对于第三传输线的传输相位延迟45度；第二传输线的传输相位相对于第四传输线的传输相位延迟45度。
进一步地，地板印刷在PCB的底部，包括第一去铜区域和第二去铜区域，同轴电缆的外导体与地板连接，同轴电缆的第一内导体端和第二内导体段分别穿过地板的第一去铜区域和第二去铜区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明提供的一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络采用微带结构来实现，结构简单，制造容易。另外，该波束形成网络的交叉线采用同轴电缆结构来实现，尺寸小，损耗小，且交叉线的隔离度高，可以提高波束形成网络的隔离度和阻抗匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明2×4巴特勒矩阵波束形成网络顶层结构示意图；
图2是本发明2×4巴特勒矩阵波束形成网络底层结构示意图；
图3是本发明2×4巴特勒矩阵波束形成网络交叉线即第三传输线7与第四传输线8隔离度示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1和图2，本发明提供的一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络由第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第四定向耦合器4、第一传输线5、第二传输线6、第三传输线7、第四传输线8、第一欧姆电阻9、第二欧姆电阻10、第一接地线11、第二接地线12、地板16和同轴电缆13组成；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述2×4巴特勒矩阵有2个信号输入端口，分别为第一输入端口in1和第二输入端口in2，有4个输出端口，分别为第一输出端口out1、第二输出端口out2、第三输出端口out3和第四输出端口out4。
本发明中各部件的连接关系如图1和图2所示，所述第一定向耦合器1的第一输入端1a连接到第一输入端口in1，第一定向耦合器1的第二输入端1b与第一欧姆电阻9的一端连接，第一欧姆电阻9的另一端与第一接地线11连接，第一接地线11与地板16连接；第一定向耦合器1的第一输出端1c与第一传输线5输入端5a连接，第一传输线5的输出端5b与连接第三定向耦合器的第一输入端3a连接；第一定向耦合器1的第二输出端1d与第三传输线7的输入端7a连接，第三传输线7的第一中间端7b与同轴电缆13的第一内导体端13a连接，同轴线13第二内导体端13b与第三传输线7的第二中间端7c连接，第三传输线7的输出端7d与第四定向耦合器4的第一输入端4a连接；第二定向耦合器2的第二输入端2b连接到第一输入端口in2，第二定向耦合器2的第一输入端2a与第二欧姆电阻10的一端连接，第二欧姆电阻10的另一端与第二接地线12连接，第二接地线12与地板16连接；第二定向耦合器2的第一输出端2c与第四传输线8的输入端8a连接，第四传输线8的输出端8b与第三定向耦合器的第二输入端3b连接；第二定向耦合器2的第二输出端2d与第二传输线6输入端6a连接，第二传输线6的输出端6b与第四定向耦合器4的第二输入端4b连接；其中第三定向耦合器3的第一输出端3c为第一输出端口out1，第三定向耦合器3的第二输出端3d为第二输出端口out2，第四定向耦合器4的第一输出端4c为第三输出端口out3，第四定向耦合器4的第二输出端4d为第四输出端口out4。
在本发明中，第一至第四定向耦合器均采用微带结构来实现，第一至第四定向耦合器均印刷在一PCB介质板的顶部。所述第一至第四定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧。所述第一至第四定向耦合器具有90度相移特性，即当从第一、第二、第三或第四定向耦合器的任何一个输入端馈电时，其异侧输出端的传输相位比同侧输出端的传输相位延迟90度。
具体地，第一定向耦合器1为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从第一定向耦合器1的第一输入端1a馈电时，第一输出端1c与第二输出端1d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端1d的输出相位相对于第一输出端1c的相位延迟90度。类似地，当信号从第一定向耦合器1的第二输入端1b馈电时，第一输出端1c与第二输出端1d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第一输出端1c的输出相位相对于第二输出端1d的输出相位延迟90度。
第二定向耦合器2为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器。当信号从第二定向耦合器2的第一输入端2a馈电时，第一输出端2c与第二输出端2d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端2d的输出相位相对于第一输出端2c的相位延迟90度。类似地，当信号从第二定向耦合器2的第二输入端2b馈电时，第二输出端2d与第一输出端2c的分配功率同等，为输入信号功率的一半，第一输出端2c的输出相位相对于第二输出端2d的相位延迟90度。
第三定向耦合器3为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从第三定向耦合器3的第一输入端3a馈电时，第一输出端3c与第二输出端3d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端3d的输出相位相对于第一输出端3c的相位延迟90度。类似地，当信号从第三定向耦合器3的第二输入端3b馈电时，第一输出端3c与第二输出端3d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第一输出端3c的输出相位相对于第二输出端3d的输出相位延迟90度。
第四定向耦合器4为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从第四定向耦合器4的第一输入端4a馈电时，第一输出端4c与第二输出端4d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端4d的输出相位相对于第一输出端4c的相位延迟90度。类似地，当信号从第四定向耦合器4的第二输入端4b馈电时，第一输出端4c与第二输出端4d的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第一输出端4c的输出相位相对于第二输出端4d的输出相位延迟90度。
第一至第四传输线均采用微带结构来实现，第一至第四传输线均印刷在PCB介质板的顶部。第一传输线5的传输相位相对于第三传输线7的传输相位延迟45度；第二传输线6的传输相位相对于第四传输线8的传输相位延迟45度。
如图2所示，地板16印刷在PCB的底部，包括第一去铜区域14和第二去铜区域15，同轴电缆13的外导体13c与地板16连接，同轴电缆13的第一内导体端13a和第二内导体段13b分别穿过地板16的第一去铜区域14和第二去铜区域15。
本发明的工作原理如下：
射频信号若从第一输入端口in1输入，信号首先经过第一定向耦合器1后分出两路信号，第一定向耦合器1的第一输出端1c信号为1/2∠0°，第二输出端1d信号为1/2∠-90°，其中信号1/2∠0°流向第一传输线5，信号1/2∠-90°流向第三传输线7。信号1/2∠0°经过第一传输线5后，第三定向耦合器3的第一输入端3a的信号为1/2∠-45°，信号1/2∠-45°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3c后的信号为1/4∠-45°，第三定向耦合器3的第二输出端3d后的信号为1/4∠-135°；第一定向耦合器1第二输出端1d的输出信号1/2∠-90°经过第三传输线7后，第四定向耦合器4的第一输入端4a的信号为1/2∠-90°，信号1/2∠-90°经过第四定向耦合器4后，第四定向耦合器4的第一输出端4c后的信号为1/4∠-90°，第四定向耦合器4的第二输出端4d后的信号为1/4∠-180°；因此，若从第一输入端口in1输入信号后，则第一输出端口out1、第三输出端口out3、第二输出端口out2和第四输出端口out4的输出信号分别为1/4∠-45°、1/4∠-90°、1/4∠-135°、1/4∠-180°，即当从第一输入端口in1馈电时，第一至四输出端口的信号幅度相等，第一输出端口out1、第三输出端口out3、第二输出端口out2和第四输出端口out4相邻输出端口的分配功率相位差为-45°。
射频信号若从第二输入端口in2输入，信号首先经过第二定向耦合器2后分出两路信号，第二定向耦合器2的第一输出端2c信号为1/2∠-90°，第二输出端2d信号为1/2∠0°，其中信号1/2∠-90°流向第四传输线8，信号1/2∠0°流向第二传输线6。信号1/2∠-90°经过第四传输线8后，第三定向耦合器3的第一输入端3a的信号为1/2∠-90°，信号1/2∠-90°经过第三定向耦合器3后，第三定向耦合器3的第一输出端3c后的信号为1/4∠-180°，第三定向耦合器3的第二输出端3d后的信号为1/4∠-90°；第二定向耦合器2第二输出端2d的输出信号1/2∠0°经过第二传输线6后，第四定向耦合器4的第一输入端4a的信号为1/2∠-45°，信号1/2∠-45°经过第四定向耦合器4后，第四定向耦合器4的第一输出端4c后的信号为1/4∠-135°，第四定向耦合器4的第二输出端4d后的信号为1/4∠-45°；因此，若从第二输入端口in2输入信号后，则第一输出端口out1、第三输出端口out3、第二输出端口out2和第四输出端口out4的输出信号分别为1/4∠-180°、1/4∠-135°、1/4∠-90°、1/4∠-45°，即当从第二输入端口in2馈电时，第一至四输出端口的信号幅度相等，第一输出端口out1、第三输出端口out3、第二输出端口out2和第四输出端口out4相邻输出端口的分配功率相位差为45°。
本发明提供的一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络采用微带结构来实现，结构简单，制造容易。另外，该波束形成网络的交叉线采用同轴电缆结构来实现，尺寸小，损耗小，且交叉线的隔离度高，如图3所示，可以提高波束形成网络的隔离度和阻抗匹配。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第一欧姆电阻、第二欧姆电阻、第一接地线、第二接地线、地板和同轴电缆；其中，每个定向耦合器具有两个输入端和两个输出端，分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述2×4巴特勒矩阵有2个信号输入端口，分别为第一输入端口和第二输入端口，有4个输出端口，分别为第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口；
所述第一定向耦合器的第一输入端连接到第一输入端口，第一定向耦合器的第二输入端与第一欧姆电阻的一端连接，第一欧姆电阻的另一端与第一接地线连接，第一接地线与地板连接；第一定向耦合器的第一输出端与第一传输线输入端连接，第一传输线的输出端与连接第三定向耦合器的第一输入端连接；第一定向耦合器的第二输出端与第三传输线的输入端连接，第三传输线的第一中间端与同轴电缆的第一内导体端连接，同轴线第二内导体端与第三传输线的第二中间端连接，第三传输线的输出端与第四定向耦合器的第一输入端连接；第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口，第二定向耦合器的第一输入端与第二欧姆电阻的一端连接，第二欧姆电阻的另一端与第二接地线连接，第二接地线与地板连接；第二定向耦合器的第一输出端与第四传输线的输入端连接，第四传输线的输出端与第三定向耦合器的第二输入端连接；第二定向耦合器的第二输出端与第二传输线输入端连接，第二传输线的输出端与第四定向耦合器的第二输入端连接；其中第三定向耦合器的第一输出端为第一输出端口，第三定向耦合器的第二输出端为第二输出端口，第四定向耦合器的第一输出端为第三输出端口，第四定向耦合器的第二输出端为第四输出端口。
2.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第一至第四定向耦合器均采用微带结构来实现，第一至第四定向耦合器均印刷在一PCB介质板的顶部。
3.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，所述第一至第四定向耦合器的第一输入端与第一输出端分布于同侧，第二输入端与第二输出端分布于同侧，所述第一至第四定向耦合器具有90度相移特性。
4.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第一定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
5.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第二定向耦合器为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器。
6.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第三定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
7.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第四定向耦合器为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。
8.根据权利要求2所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第一至第四传输线均采用微带结构来实现，第一至第四传输线均印刷在PCB介质板的顶部。
9.根据权利要求1所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，第一传输线的传输相位相对于第三传输线的传输相位延迟45度；第二传输线的传输相位相对于第四传输线的传输相位延迟45度。
10.根据权利要求2所述的2×4巴特勒矩阵波束形成网络，其特征在于，地板印刷在PCB的底部，包括第一去铜区域和第二去铜区域，同轴电缆的外导体与地板连接，同轴电缆的第一内导体端和第二内导体段分别穿过地板的第一去铜区域和第二去铜区域。
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