CN112490673B - 一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设计具有非2n个波束的Butler矩阵的方法。该方法基于快速傅里叶变换(FFT)，利用具有非2n个点数的FFT的拓扑结构，将拓扑结构中的蝶形结构由定向耦合器替换得到具有相同波束个数的Butler矩阵的网络结构，设各个定向耦合器的幅度相位为未知数，写出该网络的传输矩阵。再根据相应波束个数的天线阵列方向图强度方程得到目标矩阵。利用网络的传输矩阵与目标矩阵相等求解方程，得到各个定向耦合器的幅度和相位关系。定向耦合器采用任意相位差耦合器或者正交耦合器以及移项器或者0°/180°耦合器以及移相器。该设计方法具有物理意义，较其他波束形成网络的算法需要更少的耦合器，且算法简单，具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及多波束馈电网络、多波束天线领域，特别是一种具有非2n关系的Butler 矩阵的设计方法。
背景技术
多波束天线是指可以利用单个口径在不同方向形成多个波束的天线。它除了能够有效的减小体积，降低成本外，还能实现宽角度的覆盖，是无线通信和现代雷达中的关键技术，具有十分广泛的应用前景。
多波束天线的核心是其波束形成网络。各国学者已经基于不同的原理实现了多种不同类型的多波束天线。根据实现原理不同，大体上可分为两类。一类是基于准光技术，利用反射面或透镜，在不同方位放置不同的馈源来形成多波束，该类多波束天线具有带宽宽，波束个数可调的优点，但是反射面或透镜的尺寸比较大、不方便安装和集成，端口间隔离度较差，限制了它们的应用；另一类是基于电路形式的馈电网络。随着微波集成工艺的迅速发展，电路形式的波束形成网络越来越受到各国学者的重视，其中Butler 矩阵是一个重要的实现形式。相比于反射面、透镜多波束天线，Butler矩阵具有剖面低，重量轻，便于与射频电路集成的优势；而相比于Nolen矩阵、Blass矩阵等其他也可以用电路形式实现的波束形成网络，Butler矩阵的结构更为均衡，并且波束之间具有正交性，波束成形算法简单，***的结构复杂度和制造成本较低，可以直接替代现行移动通信***的分集***，实现更新换代，基于此美国铱星(Irdium)***采用的就是Butler矩阵构成的波束形成网络。
经典的Butler矩阵只能实现2×2，4×4等具有2n关系的波束，使得Butler矩阵在使用中受到很大的限制，缺乏灵活性。比如在无线蜂窝基站应用中，基站更需要将周围空间划分成3个区或者6个区的多波束天线，相应的波数宽度需要65°或者33°，而目前的Butler矩阵无法做到这一点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、利用具有非2n个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构；
步骤2、根据得到的非2n关系的Butler矩阵的网络结构，确定该网络的传输矩阵，即为待求解矩阵；
步骤3、确定Butler矩阵的目标矩阵；
步骤4、根据网络的传输矩阵与Butler矩阵的目标矩阵确定各个任意相位差耦合器的幅度和相位关系式；
步骤5、根据上述任意相位差耦合器的幅度和相位关系确定Butler矩阵中所用器件，并将所述器件按照所述Butler矩阵的网络结构连接，完成Butler矩阵的设计。
进一步地，步骤1中利用具有非2n个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构具体为：
将快速傅里叶变换的拓扑结构中的全部蝶形结构用定向耦合器替代，全部的交叉点用跨接器代替得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构。
进一步地，步骤2中所述Butler矩阵网络的传输矩阵为：
即Y＝WNX；其传输矩阵WN中的元素win中所包含的待求参数即为定向耦合器的幅度及相位，式中i取值从1到N，yi表示第i个波束，n取值从1到N，xn表示第n个阵元。
进一步地，步骤3所述Butler矩阵的目标矩阵为：
即Y＝TNX，其目标矩阵中的元素为
其中
α的取值会影响Butler 矩阵形成的全部N个相互正交的波束的指向。
进一步地，步骤4所述求解定向耦合器的幅度和相位关系式的方程为：WN＝TN；
进一步地，根据所述幅度和相位关系具体设计Butler矩阵中所用器件，并将所述器件按照所述Butler矩阵的网络结构连接，完成Butler矩阵的设计。
其中，所用定向耦合器具有两个输入端和输出端，分别为第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口。所述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。
进一步地，所述定向耦合器的幅度关系满足：当从任意一个输入端口输入时，同侧输出端口的功率与异侧输出端口的功率相加为1，如图1所示，即αm 2+βm 2＝1。
进一步地，所述定向耦合器的相位关系满足：同侧输入输出端口之前的相位差等于异侧输入输出端口之间的相位差之和减去另一个同侧输入输出端口之间的相位差加π，如图1所示，即Фm＝-θm+γm+ξm+π。
其中，定向耦合器采用任意相位差定向耦合器或者0°/90°定向耦合器以及移项器或者0°/180°定向耦合器以及移相器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明设计得到非2n Butler矩阵，使Butler矩阵的应用更加灵活；2)本发明中的非2n Butler矩阵的设计方法基于快速傅里叶变换(FFT)，使设计更具备物理意义，而这种物理意义确保了设计中所用的器件个数是最少的；3)本发明给出了一种通用的非2n Butler矩阵的设计方法，具有普适性。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为任意相位差定向耦合器的幅度相位分布示意图。
图2为本发明实施例中所用FFT的拓扑结构图。
图3为本发明实施例的拓扑结构图。
图4为本发明实施例的器件连接示意图。
图5为本发明实施例的微带结构示意图。
图6为本发明实施例所用耦合器示意图。
图7为本发明实施例所用跨接器示意图。
图8为本发明实施例的仿真幅度和相位结果图，其中图(a)为从本发明实施例的第一输入端口(y1)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图，图(b)为从本发明实施例的第二输入端口(y2)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图，图(c)为从本发明实施例的第三输入端口(y3)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图，图(d) 为从本发明实施例的第四输入端口(y4)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图，图(e)为从本发明实施例的第五输入端口(y5)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图,图(f)为从本发明实施例的第六输入端口(y6)输入信号时，六个输出端口的幅度和相位图。
图9为本发明实施例对天线阵列馈电时的波束指向仿真图。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、利用具有非2n个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构；具体为：
将快速傅里叶变换的拓扑结构中的全部蝶形结构用定向耦合器替代，全部的交叉点用跨接器代替得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构。
步骤2、根据得到的非2n关系的Butler矩阵的网络结构，确定该网络的传输矩阵，即为待求解矩阵；所述Butler矩阵网络的传输矩阵为：
即Y＝WNX；其传输矩阵WN中的元素win中所包含的待求参数即为定向耦合器的幅度及相位，式中i取值从1到N，yi表示第i个波束，n取值从1到N，xn表示第n个阵元。
步骤3、确定Butler矩阵的目标矩阵；所述Butler矩阵的目标矩阵为：
即Y＝TNX，其目标矩阵中的元素为
其中
步骤4、根据网络的传输矩阵与Butler矩阵的目标矩阵确定各个定向耦合器的幅度和相位关系式；所述求解定向耦合器的幅度和相位关系式的方程为：WN＝TN；所述定向耦合器采用任意相位差定向耦合器或者0°/90°定向耦合器以及移相器或者0°/180°定向耦合器以及移相器。
步骤5、根据上述定向耦合器的幅度和相位关系确定Butler矩阵中所用器件，并将所述器件按照所述Butler矩阵的网络结构连接，完成Butler矩阵的设计。
一种利用上述方法所设计的Butler矩阵，该矩阵为6×6Butler矩阵，为单层结构，具备6个输入端口和6个输出端口，包括第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第十跨接器10、第十一跨接器11、第十二跨接器12、第一3×3Butler 矩阵、第二3×3Butler矩阵；
第一3×3Butler矩阵包括第四定向耦合器4、第五定向耦合器5、第六定向耦合器6、移相线
第二3×3Butler矩阵包括第七定向耦合器7、第八定向耦合器8、第九定向耦合器9、移相线
上述九个定向耦合器均具备两个输入端口和两个输出端口，上述三个跨接器均具备两个输入端口和两个输出端口；
所述6×6Butler矩阵的六个输入端口分别为第一输入端口y1，第二输入端口y2，第三输入端口y3，第四输入端口y4，第五输入端口y5，第六输入端口y6，六个输出端口分别为第一输出端口x1，第二输出端口x2，第三输出端口x3，第四输出端口x4，第五输出端口x5，第六输出端口x6；
所述第一定向耦合器1的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输入端口y1；第二定向耦合器2的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输入端口y2；
第三定向耦合器3的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输入端口y3；第一定向耦合器1的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输入端口y4；第二定向耦合器2的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输入端口y5；第三定向耦合器3的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输入端口y6；
所述第四定向耦合器4的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输出端口x1；第七定向耦合器7的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口x2；第六定向耦合器6的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口x3；第九定向耦合器9的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口x4；第六定向耦合器6的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口x5；第九定向耦合器9的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口x6；
第四定向耦合器4的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第一输入端口，第五定向耦合器5的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第二输入端口，第五定向耦合器5的第二输入口作为第一3×3Butler矩阵的第三输入端口，第五定向耦合器5的第一输出口与第四定向耦合器4的第二输入口连接，第五定向耦合器5的第二输出口与第六定向耦合器6的第二输入口连接，第四定向耦合器4的第二输出口与第六定向耦合器6 的第一输入口连接；
第七定向耦合器7的第一输入口作为第二3×3Butler矩阵的第一输入口，第八定向耦合器8的第一输入端口作为第二3×3Butler矩阵的第二输入口，第八定向耦合器8 的第二输入口作为第二3×3Butler矩阵的第三输入口，第八定向耦合器8的第一输出口与第七定向耦合器7的第二输入口连接，第八定向耦合器8的第二输出口与第九定向耦合器9的第二输入口连接，第七定向耦合器7的第二输出口与第九定向耦合器9的第一输入口连接；
第一定向耦合器1的第二输出端口和第二定向耦合器2的第一输出端口分别与第十跨接器10的第一输入端口、第二输入端口连接；第二定向耦合器2的第二输出端口和第三定向耦合器3的第一输出端口分别与第十一跨接器11的第一输入端口、第二输入端口连接；第十跨接器10的第二输出端口和第十一跨接器11的第一输出端口分别与第十二跨接器12的第一输入端口、第二输入端口连接；
第一定向耦合器1的第一输出口与第一3×3Butler矩阵的第一输入口连接；第十跨接器10的第一输出口通与第一3×3Butler矩阵的第二输入口连接，第十二跨接器12 的第一输出口与第一3×3Butler矩阵的第三输入口连接；第十二跨接器12的第二输出口与第二3×3Butler矩阵的第一输入口连接；第十一跨接器11的第二输出口与第二3 ×3Butler矩阵的第二输入口连接，第三定向耦合器3的第二输出口与第二3×3Butler 矩阵的第三输入口连接。
所述第四定向耦合器4为不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；
第七定向耦合器7为不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；
第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第五定向耦合器5、第六定向耦合器6、第八定向耦合器8、第九定向耦合器9为等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率均为输入信号功率的1/2。
所述定向耦合器为任意相位差定向耦合器或0/90度定向耦合器或0/180度定向耦合器；
所有耦合器和跨接器的第一输入端口与第一输出端口分布在同侧，第二输入端口与第二输出端口分布在同侧。
所述第一定向耦合器1至九定向耦合器9、第十跨接器10、第十一跨接器11、第十二跨接器12为微带结构或带状线结构或SIW结构；
所有器件之间用具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构连接；
所述耦合器为分支线定向耦合器或耦合线耦合器。
所述第一定向耦合器1的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW 结构作为6×6Butler矩阵的第一输入端口y1；第二定向耦合器2的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口 y2；第三定向耦合器3的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口y3；第一定向耦合器1的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口 y4；第二定向耦合器2的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口y5；第三定向耦合器3的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口 y6；
所述第四定向耦合器4的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW 结构作为所述6×6Butler矩阵的第一输出端口x1；第七定向耦合器7的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口x2；第六定向耦合器6的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW 结构作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口x3；第九定向耦合器9的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口x4；第六定向耦合器6的第二输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW 结构作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口x5；第九定向耦合器9的第二输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口x6。
本发明设计得到非2n Butler矩阵，使Butler矩阵的应用更加灵活；本发明中的非2n Butler矩阵的设计方法基于快速傅里叶变换(FFT)，使设计更具备物理意义，而这种物理意义确保了设计中所用的器件个数是最少的；本发明给出了一种通用的非2n Butler矩阵的设计方法，具有普适性。
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。
实施例1
请参照图2、图3和图4，本发明实施例提供一种6×6Butler矩阵的设计。本发明实施例根据图2所示的6点FFT的拓扑结构，得到如图3所示的6×6Butler矩阵的网络拓扑结构。所述6点FFT拓扑结构由三个2点FFT和2个3点FFT构成；所述6×6Butler 矩阵的网络拓扑结构特征在于将6点FFT拓扑结构中所有的蝶形结构由分支线正交定向耦合器和微带蛇形移相线代替；所有的交叉点由跨接器代替。
本发明实施例中所设计的6×6Butler矩阵，请参照图1和图3，其网络结构的传输矩阵具有如下形式:
其中的未知数由定向耦合器的幅度和相位组成。传输矩阵全部列写篇幅较大，但很容易写出，因此，此处仅给出两个例子：
本发明实施例所设计的6×6Butler矩阵，为了得到关于天线阵列法线方向对称的相互正交的波束，取α＝π/6。本发明实施例所设计的6×6Butler矩阵的目标矩阵为：
由网络结构的传输矩阵W6与目标矩阵T6相等，可求解出6×6Butler矩阵的网络结构中所用器件的幅度和相位关系。
所述Butler矩阵的设计中，任意相位差定向耦合器或0/90度定向耦合器及移项器或 0/180度定向耦合器及移项器均可以使用。无论使用哪种耦合器，上述设计方法不变。在本发明实施例中采用0/90度定向耦合器和蛇形线移相。
本发明实施例所设计的6×6Butler矩阵，包括第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第十跨接器10、第十一跨接器11、第十二跨接器12、第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵以及蛇形移相线；
第一3×3Butler矩阵由第四定向耦合器4、第五定向耦合器5、第六定向耦合器6、移相线
构成；第二3×3Butler矩阵由第七定向耦合器7、第八定向耦合器8、第九定向耦合器9、移相线
构成；
本发明实施例所述的6×6Butler矩阵各部件之间的连接关系如图4所示，所述6×6 Butler矩阵有6个输入端口和六个输出端口，分别为第一输入端口y1、第二输入端口y2、第三输入端口y3、第四输入端口y4、第五输入端口y5、第六输入端口y6、第一输出端口 x1、第二输出端口x2、第三输出端口x3、第四输出端口x4、第五输出端口x5、第六输出端口x6；
本发明实施例所述的6×6Butler矩阵：从第一输入端口y1输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为30度；从第二输入端口y2输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为90度；从第三输入端口y3输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为150度；从第四输入端口y4输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为-150度；从第五输入端口y5输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为-90度；从第六输入端口 y6输入时，第一输出端口x1到第六输出端口x6具有相同的幅度，且相邻标号输出端口之间的相位差为-30度；
第一定向耦合器1至第九定向耦合器9和第十跨接器10到第十二跨接器12以及移项器均可采用微带或带状线或SIW结构实现。在本发明实施例中，第一定向耦合器1 至第九定向耦合器9和第十跨接器10到第十二跨接器12实施以及移项器均用微带结构来实现。
所述第一定向耦合器1到九定向耦合器9为分支线耦合器或耦合线耦合器。在本发明实施例中，第一定向耦合器1到九定向耦合器9均采用分支线耦合器结构来实现，请参照图6。所述第一定向耦合器1到九定向耦合器9都具有两个输入端口和两个输出端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口。所述第一输入端口与第一输出端口分布在同侧，第二输入端口与第二输出端口分布在同侧；第一定向耦合器1到九定向耦合器9均为正交耦合器，其特征在于：从任意一个输入端口馈电时，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，第四定向耦合器4和第七定向耦合器7为具有90度移相特性的不等功率分配定向耦合器，其特征在于：当信号从第一输入端port1输入时，第一输出端port3 和第二输出端port4的分配功率分别为输入信号的1/3和2/3，第二输出端口port4的输出相位相比于第一输出端口port3的输出相位延迟90度。类似地，当信号从第二输入端 port2输入时，第一输出端port3和第二输出端port4的分配功率分别为输入信号的2/3 和1/3，第一输出端口port3的输出相位相比于第二输出端口port4的输出相位延迟90 度。
第一定向耦合器1、第二定向耦合器2、第三定向耦合器3、第五定向耦合器5、第六定向耦合器6、第八定向耦合器8、第九定向耦合器9为具有90度移相特性的等功率分配定向耦合器。当信号从上述定向耦合器的第一输入端口port1馈电时，第一输出端口port3与第二输出端口port4的分配功率相等，均为输入信号功率的一半，第二输出端口port4的输出相位相比于第一输出端口port3的输出相位延迟90度。类似的，当信号从上述定向耦合器的第二输入端口port2馈电时，第一输出端口port3与第二输出端口 port4的分配功率相等，均为输入信号功率的一半，第一输出端口port3的输出相位相比于第二输出端口port4的输出相位延迟90度。
在本发明实施例中，与第十跨接器10到十二跨接器12采用微带形式实现，具体请参照图7。所述第十跨接器10到十二跨接器12的特征在于：从任意一个输入端口馈电时，仅有异侧输出端口有信号输出，且输出端比输入端的相移超前133.5度。具体地，当信号从第一输入端口port1输入时，仅有第二输出端口port4有信号输出，输出信号的功率与输入信号的功率相等，相位超前133.5度。类似地，当信号从第二输入端口port2 输入时，仅有第一输出端口port3有信号输出，输出信号的功率与输入信号的功率相等，相位超前133.5度。
在本发明实施例中，所述蛇形移相线特性阻抗均为50欧姆。
进一步地，请参照图4和图5：
所述第一定向耦合器1的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输入端口y1；第二定向耦合器2的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输入端口y2；第三定向耦合器3的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输入端口y3；第一定向耦合器1的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输入端口y4；第二定向耦合器2的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输入端口y5；第三定向耦合器3的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输入端口y6；
所述第四定向耦合器4的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输出端口x1；第七定向耦合器7的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口x2；第六定向耦合器6的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口x3；第九定向耦合器9的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口x4；第六定向耦合器6的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口x5；第九定向耦合器9的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口x6。
第四定向耦合器4的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第一输入端口，第五定向耦合器5的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第二输入端口，第五定向耦合器5的第二输入口作为第一3×3Butler矩阵的第三输入端口，第五定向耦合器5的第一输出口与第四定向耦合器4的第二输入口连接，第五定向耦合器5的第二输出口通过-14 度的蛇形移相线
与第六定向耦合器6的第二输入口连接，第四定向耦合器4的第二输出口与第六定向耦合器6的第一输入口连接；
第七定向耦合器7的第一输入口作为第二3×3Butler矩阵的第一输入口，第八定向耦合器8的第一输入端口作为第二3×3Butler矩阵的第二输入口，第八定向耦合器8 的第二输入口作为第二3×3Butler矩阵的第三输入口，第八定向耦合器8的第一输出口与第七定向耦合器7的第二输入口连接，第八定向耦合器8的第二输出口通过-14度的蛇形移相线
与第九定向耦合器9的第二输入口连接，第七定向耦合器7的第二输出口与第九定向耦合器9的第一输入口连接；
第一定向耦合器1的第二输出端口和第二定向耦合器2的第一输出端口分别与第十跨接器10的第一输入端口、第二输入端口连接；第二定向耦合器2的第二输出端口和第三定向耦合器3的第一输出端口分别与第十一跨接器11的第一输入端口、第二输入端口连接；第十跨接器10的第二输出端口和第十一跨接器11的第一输出端口分别与第十二跨接器12的第一输入端口、第二输入端口连接；
第一定向耦合器1的第一输出口通过一段移相为-118.6度的50欧姆微带线(1a-1b)、 110.2度的蛇形移相线
一段移相为-104.6度50欧姆微带线(3a-4a)与第一3×3Butler 矩阵的第一输入口连接；第十跨接器10的第一输出口通过一段50欧姆的微带线(2b-3b) 与第一3×3Butler矩阵的第二输入口连接，第十二跨接器12的第一输出口与第一3×3 Butler矩阵的第三输入口连接；第十二跨接器12的第二输出口通过一段50欧姆的微带线(3d-4d)与第二3×3Butler矩阵的第一输入口连接；第十一跨接器11的第二输出口通过-143.2度的蛇形移相线
与第二3×3Butler矩阵的第二输入口连接，第三定向耦合器3的第二输出口通过-57.6度的蛇形移相线
与第二3×3Butler矩阵的第三输入口连接；
所述第四定向耦合器4的第一输出端口通过一段50欧姆的微带线与所述6×6Butler 矩阵的第一输出端口x1相连；第六定向耦合器6的第一输出端口通过50.1度的蛇形移相线
与所述6×6Butler矩阵的第三输出端口x3相连；第六定向耦合器6的第二输出端口通过-160.25度的蛇形移相线
与所述6×6Butler矩阵的第五输出端口x5相连；第七定向耦合器7的第一输出端口通过-104.6度的蛇形移相线
和一段50欧姆的微带线与所述6×6Butler矩阵的第二输出端口x2相连；第九定向耦合器9的第一输出端口通过-105.6度的蛇形移相线
与所述6×6Butler矩阵的第四输出端口x4相连；第九定向耦合器9的第二输出端口通过44度的蛇形移相线
与所述6×6Butler矩阵的第六输出端口x6相连。
请参照图4，本发明实施例中射频信号的流向如下所述：
射频信号若从第一输入端口y1输入，信号首先经过第一定向耦合器1后分出两路信号，一路信号由第一定向耦合器1的第一输出端1a输出，另一路信号由第一定向耦合器1的第二输出端1b输出；由1a输出的信号经过50欧姆微带线及蛇形移相线后从4a 进入到第四定向耦合器4，再次分成两路信号，一路从第四定向耦合器4的第一输出端 5a输出，另一路从第四定向耦合器4的第二输出端5b输出；由5a输出的信号经过微带线最终由6×6Butler矩阵的第一输出口x1输出，而由5b输出的信号进入第六定向耦合器6后从第六定向耦合器6的两个输出端输出，分别经过
和
后从6×6Butler矩阵的第三输出口x3和第五输出口x5输出；而由1b输出的信号经过第十跨接器10后从2c 口进入第十二跨接器12，经过第十二跨接器12后从3d口输出由4d口进入到第七定向耦合器7，再次分成两路信号，一路从第七定向耦合器7的第一输出端5d输出，另一路从第七定向耦合器7的第二输出端5e输出；由5d输出的信号经过
和微带线最终由6 ×6Butler矩阵的第二输出口x2输出，而由5e输出的信号进入第九定向耦合器9后从第九定向耦合器9的两个输出端输出，分别经过
和
后从6×6Butler矩阵的第四输出口x4和第六输出口x6输出；
当射频信号从其他输入端口输入时，其信号流经的分析过程与上述过程类似，此处不再赘述。对于从Butler矩阵的一个输入端口到一个输出端口之间有两条路径的情况，其输出端口的信号应为这两条路径流过的信号的矢量和。
图8为本发明实施例的HFSS仿真S参数结果，所示的为分别从本实施例6×6Butler矩阵的第一输入端口y1至第六输入端口y6输入信号时，第一输出端口x1至第六输出端口x6幅度和相位。从图中可以看出，在中心频率5.1GHz处，当从第一输入端口y1输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在-8.7±0.5dB范围内，相位差在30°±3.9°范围内；当从第二输入端口y2输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在 -8.8±0.2dB范围内，相位差在90°±2.7°范围内；当从第三输入端口y3输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在-8.6±0.3dB范围内，相位差在150°±4.1°范围内；当从第四输入端口y4输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在-8.7±0.3dB 范围内，相位差在-150°±6.6°范围内；当从第五输入端口y5输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在-8.6±0.3dB范围内，相位差在-90°±3.2°范围内；当从第六输入端口y6输入时，第一输出端口x1至第六输出端口x6的幅度都在-8.7±0.5dB范围内，相位差在-30°±4.8°范围内。
本发明实施例提供的一种6×6Butler矩阵的输出端口可以连接具有6个天线阵列，在6个输入端口分别产生6个不同指向的波束，请参照图9。本发明实施例中，六个相互正交的波束关于天线阵列法线方向对称。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，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体下，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 (9)
1.一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用具有非2n个点的快速傅里叶变换的拓扑结构，得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构；具体为：
将快速傅里叶变换的拓扑结构中的全部蝶形结构用定向耦合器替代，全部的交叉点用跨接器代替得到非2n关系的Butler矩阵的网络结构；
步骤2、根据得到的非2n关系的Butler矩阵的网络结构，确定该网络的传输矩阵，即为待求解矩阵；
步骤3、确定Butler矩阵的目标矩阵；
步骤4、根据网络的传输矩阵与Butler矩阵的目标矩阵确定各个定向耦合器的幅度和相位关系式；
步骤5、根据上述定向耦合器的幅度和相位关系确定Butler矩阵中所用器件，并将所述器件按照所述Butler矩阵的网络结构连接，完成Butler矩阵的设计。
2.根据权利要求1所述的一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，其特征在于：步骤2中所述Butler矩阵网络的传输矩阵为：
即Y＝WNX；其传输矩阵WN中的元素win中所包含的待求参数即为定向耦合器的幅度及相位，式中i取值从1到N，yi表示第i个波束，n取值从1到N，xn表示第n个阵元。
3.根据权利要求2所述的一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，其特征在于：步骤3所述Butler矩阵的目标矩阵为：
即Y＝TNX，其目标矩阵中的元素为
其中
4.根据权利要求3所述的一种具有非2n关系的Butler矩阵的设计方法，其特征在于：步骤4所述求解定向耦合器的幅度和相位关系式的方程为：WN＝TN；所述定向耦合器采用任意相位差定向耦合器或者0°/90°定向耦合器以及移相器或者0°/180°定向耦合器以及移相器。
5.一种利用权利要求1所述方法所设计的Butler矩阵，其特征在于，该矩阵为6×6Butler矩阵，为单层结构，具备6个输入端口和6个输出端口，包括第一定向耦合器(1)、第二定向耦合器(2)、第三定向耦合器(3)、第十跨接器(10)、第十一跨接器(11)、第十二跨接器(12)、第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵；
第一3×3Butler矩阵包括第四定向耦合器(4)、第五定向耦合器(5)、第六定向耦合器(6)、移相线
第二3×3Butler矩阵包括第七定向耦合器(7)、第八定向耦合器(8)、第九定向耦合器(9)、移相线
上述九个定向耦合器均具备两个输入端口和两个输出端口，上述三个跨接器均具备两个输入端口和两个输出端口；
所述6×6Butler矩阵的六个输入端口分别为第一输入端口(y1)，第二输入端口(y2)，第三输入端口(y3)，第四输入端口(y4)，第五输入端口(y5)，第六输入端口(y6)，六个输出端口分别为第一输出端口(x1)，第二输出端口(x2)，第三输出端口(x3)，第四输出端口(x4)，第五输出端口(x5)，第六输出端口(x6)；
所述第一定向耦合器(1)的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输入端口(y1)；第二定向耦合器(2)的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输入端口(y2)；第三定向耦合器(3)的第一输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输入端口(y3)；第一定向耦合器(1)的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输入端口(y4)；第二定向耦合器(2)的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输入端口(y5)；第三定向耦合器(3)的第二输入端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输入端口(y6)；
所述第四定向耦合器(4)的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第一输出端口(x1)；第七定向耦合器(7)的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口(x2)；第六定向耦合器(6)的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口(x3)；第九定向耦合器(9)的第一输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口(x4)；第六定向耦合器(6)的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口(x5)；第九定向耦合器(9)的第二输出端口作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口(x6)；
第四定向耦合器(4)的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第一输入端口，第五定向耦合器(5)的第一输入端口作为第一3×3Butler矩阵的第二输入端口，第五定向耦合器(5)的第二输入口作为第一3×3Butler矩阵的第三输入端口，第五定向耦合器(5)的第一输出口与第四定向耦合器(4)的第二输入口连接，第五定向耦合器(5)的第二输出口与第六定向耦合器(6)的第二输入口连接，第四定向耦合器(4)的第二输出口与第六定向耦合器(6)的第一输入口连接；
第七定向耦合器(7)的第一输入口作为第二3×3Butler矩阵的第一输入口，第八定向耦合器(8)的第一输入端口作为第二3×3Butler矩阵的第二输入口，第八定向耦合器(8)的第二输入口作为第二3×3Butler矩阵的第三输入口，第八定向耦合器(8)的第一输出口与第七定向耦合器(7)的第二输入口连接，第八定向耦合器(8)的第二输出口与第九定向耦合器(9)的第二输入口连接，第七定向耦合器(7)的第二输出口与第九定向耦合器(9)的第一输入口连接；
第一定向耦合器(1)的第二输出端口和第二定向耦合器(2)的第一输出端口分别与第十跨接器(10)的第一输入端口、第二输入端口连接；第二定向耦合器(2)的第二输出端口和第三定向耦合器(3)的第一输出端口分别与第十一跨接器(11)的第一输入端口、第二输入端口连接；第十跨接器(10)的第二输出端口和第十一跨接器(11)的第一输出端口分别与第十二跨接器(12)的第一输入端口、第二输入端口连接；
第一定向耦合器(1)的第一输出口与第一3×3Butler矩阵的第一输入口连接；第十跨接器(10)的第一输出口与第一3×3Butler矩阵的第二输入口连接，第十二跨接器(12)的第一输出口与第一3×3Butler矩阵的第三输入口连接；第十二跨接器(12)的第二输出口与第二3×3Butler矩阵的第一输入口连接；第十一跨接器(11)的第二输出口与第二3×3Butler矩阵的第二输入口连接，第三定向耦合器(3)的第二输出口与第二3×3Butler矩阵的第三输入口连接。
6.根据权利要求5所述的Butler矩阵，其特征在于，所述第四定向耦合器(4)为不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；
第七定向耦合器(7)为不等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率分别是输入信号功率的1/3和2/3；
第一定向耦合器(1)、第二定向耦合器(2)、第三定向耦合器(3)、第五定向耦合器(5)、第六定向耦合器(6)、第八定向耦合器(8)、第九定向耦合器(9)为等功率分配定向耦合器，其两输出端的分配功率均为输入信号功率的1/2。
7.根据权利要求5所述的Butler矩阵，其特征在于，所述定向耦合器为0/90度定向耦合器或0/180度定向耦合器；
所有耦合器和跨接器的第一输入端口与第一输出端口分布在同侧，第二输入端口与第二输出端口分布在同侧。
8.根据权利要求5所述的Butler矩阵，其特征在于，所述第一定向耦合器(1)至九定向耦合器(9)、第十跨接器(10)、第十一跨接器(11)、第十二跨接器(12)为微带结构或带状线结构或SIW结构；
所有器件之间用具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构连接；
所述耦合器为分支线定向耦合器或耦合线耦合器。
9.根据权利要求5所述的Butler矩阵，其特征在于，所述第一定向耦合器(1)的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为6×6Butler矩阵的第一输入端口(y1)；第二定向耦合器(2)的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口(y2)；第三定向耦合器(3)的第一输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口(y3)；第一定向耦合器(1)的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口(y4)；第二定向耦合器(2)的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口(y5)；第三定向耦合器(3)的第二输入端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口(y6)；
所述第四定向耦合器(4)的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第一输出端口(x1)；第七定向耦合器(7)的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第二输出端口(x2)；第六定向耦合器(6)的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第三输出端口(x3)；第九定向耦合器(9)的第一输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第四输出端口(x4)；第六定向耦合器(6)的第二输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第五输出端口(x5)；第九定向耦合器(9)的第二输出端口外接具有相移特性的微带线或带状线或SIW结构作为所述6×6Butler矩阵的第六输出端口(x6)。
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| CN106602265A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-04-26 | 京信通信技术(广州)有限公司 | 波束成形网络及其输入结构、输入输出方法及三波束天线 |
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