WO2015003381A1 - 一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵 - Google Patents

一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵 Download PDF

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WO2015003381A1
WO2015003381A1 PCT/CN2013/079274 CN2013079274W WO2015003381A1 WO 2015003381 A1 WO2015003381 A1 WO 2015003381A1 CN 2013079274 W CN2013079274 W CN 2013079274W WO 2015003381 A1 WO2015003381 A1 WO 2015003381A1
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directional coupler
port
matrix
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PCT/CN2013/079274
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吴壁群
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广东博纬通信科技有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/184—Strip line phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22—Hybrid ring junctions
    • H01P5/227—90° branch line couplers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q3/00—Selecting arrangements
    • H04Q3/42—Circuit arrangements for indirect selecting controlled by common circuits, e.g. register controller, marker

Definitions

  • the present invention relates to the field of microwave passive device technology, and more particularly to a 3 X 3 Butler matrix and a 5 X 6 Butler matrix for a beamforming network. Background technique
  • the multi-beam antenna can simultaneously generate the pattern characteristics of multiple beams, which can increase the network capacity.
  • the multi-beam antenna is easy to implement narrow beam and high gain, which can reduce signal interference and increase coverage distance. Therefore, multi-beam antennas have broad application prospects and value.
  • Butler matrix is an important part of multi-beam antenna and is a key component to generate multi-beam characteristics.
  • the Butler matrix of the prior art has a large size, a narrow frequency band, and a high loss, which needs to be further improved. Summary of the invention
  • An object of the present invention is to provide a 3 X 3 Butler matrix and a 5 X 6 Butler matrix which are small in size, wide in bandwidth, low in loss, high in isolation, and stable in performance, in view of the deficiencies in the prior art.
  • the present invention adopts the following technical solutions:
  • a 3 X 3 Butler matrix comprising a first directional coupler, a second directional coupler, a third directional coupler, a first fixed phase shifter, a second fixed phase shifter, and a third fixed phase shifter;
  • Each directional coupler has two input ends and two output ends, which are a first input end, a second input end, a first output end, and a second output end, respectively;
  • the 3 X 3 Butler matrix has three input ports and three output ports, which are a first input port, a second input port, a third input port, a first output port, a second output port, and a third output port, respectively;
  • a second input end of the second directional coupler is coupled to the first input port, the first directional coupling a second input of the combiner is coupled to the second input port, the first input of the first directional coupler is coupled to the third input port;
  • the first output of the first directional coupler is passed through the first fixed phase shifter Connected to the first input end of the third directional coupler, the second output end of the first directional coupler is connected to the first input end of the second directional coupler, and the first output end of the second directional coupler is connected to the third a second input end of the directional coupler is connected, a second output end of the second directional coupler is connected to the first output port through a third fixed phase shifter, and a second output end of the third directional coupler is moved through the second fixed phase Connected to the second output port, the first output of the third directional coupler is connected to the third output port;
  • the transmission phase of the first fixed phase shifter is delayed by 90 degrees with respect to the transmission phase of the first input end of the second directional coupler to the first output end, and the transmission phase of the second fixed phase shifter is relative to the first
  • the transmission phase of the first output terminal to the third output port of the three directional coupler is delayed by 90 degrees, and the transmission phase of the third fixed phase shifter is opposite to the first output end to the second output port of the second directional coupler
  • the transmission phase is delayed by 90 degrees.
  • first input end of the first to third directional couplers are distributed on the same side as the first output end, and the second input end and the second output end are distributed on the same side.
  • first directional coupler and the third directional coupler are equal power distribution directional couplers having a phase shift characteristic of 90 degrees, and the output powers of the two outputs are equal, which are respectively half of the input signal power;
  • the second directional coupling The device is a directional coupler with unequal power distribution with a phase shifting characteristic of 90 degrees, and the distributed power of the two outputs is 1/3 and 2/3 of the input signal power, respectively;
  • the phase of the opposite side of the output is delayed by 90 degrees from the phase of the output of the same side.
  • first to third directional couplers and the first to third fixed phase shifters are a microstrip structure or a stripline structure.
  • first to third directional couplers are branch line couplers or coupled line couplers.
  • the structures of the first to third fixed phase shifters comprise two 1/4 ⁇ transmission lines of the same impedance in series with each other and a 1/4 ⁇ short-circuit transmission line connected in parallel at the midpoint of the two transmission lines or
  • ⁇ 1/2 ⁇ open transmission line, ⁇ is the center frequency of the fixed phase shifter operating frequency band.
  • a 5 X 6 Butler matrix comprising a first 3 X 3 Butler matrix, a second 3 X 3 Butler matrix, a fourth directional coupler, a fifth directional coupler, a power splitter, a fourth fixed phase shifter, and a fifth fixed phase shift
  • Each directional coupler has two input ends and two output ends, respectively being a first input end, a second input end, a first output end, and a second output end; the splitter has an input end a first output end and a second output end;
  • the 5X6 Butler matrix has five input ports and six output ports, which are first to fifth input ports and first to sixth output ports, respectively;
  • the input end of the power splitter is connected to the first input port of the 5X6 Butler matrix, the second output end of the power splitter is connected to the first input port of the second 3X3 Butler matrix, and the first output end of the power splitter is connected to the first a first input port of the 3X3Butler matrix;
  • a second input of the fifth directional coupler is coupled to a second input port of the 5X6 Butler matrix, the first input is coupled to a third input port of the 5X6 Butler matrix, and the second output is coupled to a second input port of the second 3X3Butler matrix, the first output is coupled to the second input port of the first 3X3 Butler matrix by a fifth fixed phase shifter;
  • the second input of the fourth directional coupler is coupled to the 5X6 Butler matrix a fourth input port, the first input is connected to the fifth input port of the 5 X 6 Butler matrix, the second output is connected to the third input port of the second 3 X 3 Butler matrix, and the first output is passed through the fourth fixed phase shifter
  • the fourth fixed phase shifter is a 30° lead phase shifter
  • the fifth fixed phase shifter is a 150° lead phase shifter.
  • first input end of the fourth directional coupler and the fifth directional coupler are distributed on the same side as the first output end, and the second input end and the second output end are distributed on the same side;
  • the fourth directional coupler and the fifth directional coupler are equal power distribution directional couplers with 90 degree phase shifting characteristics, and the output powers of the two output ends are equal, which are respectively half of the input signal power;
  • the transmission phase of the off-side output is delayed by 90 degrees from the transmission phase of the ipsilateral output.
  • fourth directional coupler and the fifth directional coupler are branch line couplers or coupled Line coupler.
  • the power splitter is an equal power, equal phase power splitter.
  • the output port of a 3 X 3 Butler matrix provided by the present invention can be connected to three antenna arrays, and three different pointing beams are respectively generated at three input ports.
  • the output port of a 5 X 6 Butler matrix provided by the present invention can be connected to five antenna arrays, and five different pointing beams are respectively generated at five input ports.
  • the 3 X 3 Butler matrix and the 5 X 6 Butler matrix provided by the invention have the characteristics of small size, frequency bandwidth, small loss, high isolation and stable performance, and fill in the prior art specifics about the 3 X 3 Butler matrix and the 5 X 6 Butler matrix.
  • the blank of the technical solution has broad application prospects and value.
  • Embodiment 1 is a topological structural diagram of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a microstrip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic structural view of a second fixed phase shifter in the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a graph showing the results of S-parameter simulation in the first embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a simulation result parameter table of Figure 4.
  • FIG. 6 is a topological structural diagram of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a partial microstrip structure of a second embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic view showing the structure of the fourth fixed phase shifter of Figure 7.
  • Figure 9 is a graph showing the results of S-parameter simulation of the second embodiment of the present invention.
  • Figures 10 and 11 are the simulation result parameter tables of Figure 9. detailed description
  • a 3 ⁇ 3 Butler matrix provided by an embodiment of the present invention is composed of a first directional coupler 1, a second directional coupler 2, a third directional coupler 3, and a first fixed
  • the phase shifter 4, the second fixed phase shifter 5 and the third fixed phase shifter 6 are composed; wherein each directional coupler has two input ends and two output ends, respectively being a first input end and a second input End, first output and second output
  • the 3 X 3 Butler matrix has three signal input ports, namely a first input port in1, a second input port in2, and a third input port in3, and has three output ports, respectively being the first output port outl, The second output port out2 and the third output port out3.
  • the connection relationship of the components in the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1.
  • the second input end 2b of the second directional coupler 2 is connected to the first input port in1, and the second of the first directional coupler 1
  • the input terminal 1b is connected to the second input port in2
  • the first input terminal 1a of the first directional coupler 1 is connected to the third input port in3
  • the first output terminal Id of the first directional coupler 1 is passed through the first fixed shift
  • the phase 4 is connected to the first input 3a of the third directional coupler 3
  • the second output lc of the first directional coupler 1 is connected to the first input 2a of the second directional coupler 2, the second directional coupling
  • the first output 2d of the second directional coupler 2 is connected to the second input 3b of the third directional coupler 3, and the second output 2c of the second directional coupler 2 is connected to the first output port outl via the third fixed phase shifter 6.
  • the first to third directional couplers and the first to third fixed phase shifters can each be implemented using a microstrip or stripline structure.
  • the first to third directional couplers and the first to third fixed phase shifters are each implemented using a microstrip structure.
  • the first to third directional couplers are branch line couplers or coupled line couplers.
  • the first to third directional couplers are all implemented by a second-order branch line coupler structure, please refer to FIG.
  • the first input end of the first to third directional couplers are distributed on the same side as the first output end, and the second input end and the second output end are distributed on the same side.
  • the first to third directional couplers have a 90 degree phase shift characteristic, that is, when feeding from any one of the first, second or third directional couplers, the transmission phase of the opposite side outputs is output on the same side
  • the transmission phase of the terminal is delayed by 90 degrees.
  • the first directional coupler 1 is an equal power distribution directional coupler having a phase shift characteristic of 90 degrees.
  • the distributed power of the first output terminal Id and the second output terminal lc is equal, which is half of the input signal power, and the output of the second output terminal lc
  • the phase is delayed by 90 degrees with respect to the phase of the first output terminal Id.
  • the distributed power of the first output terminal Id and the second output terminal lc is equal to half of the input signal power, and the first output terminal
  • the output phase of Id is relative to the output phase of the second output terminal lc
  • the bit delay is 90 degrees.
  • the second directional coupler 2 is a unequal power distribution directional coupler having a 90 degree phase shifting characteristic.
  • the distributed power of the first output terminal 2d is half of the distributed power of the second output terminal 2c, that is, the distributed power of the first output terminal 2d is an input.
  • the distributed power of the second output terminal 2c is 2/3 of the input signal power, and the output phase of the second output terminal 2c is delayed by 90 degrees with respect to the phase of the first output terminal 2d.
  • the distributed power of the second output terminal 2c is half of the distributed power of the first output terminal 2d, that is, the distribution of the second output terminal 2c.
  • the power is 1/3 of the input signal power
  • the distributed power of the first output 2d is 2/3 of the input signal power
  • the output phase of the first output 2d is delayed by 90 degrees with respect to the phase of the second output 2c.
  • the third directional coupler 3 is an equal power distribution directional coupler having a 90 degree phase shifting characteristic.
  • the distributed power of the first output terminal 3d and the second output terminal 3c is equal to half of the input signal power, and the output phase of the second output terminal 3c The bit is delayed by 90 degrees with respect to the phase of the first output 3d.
  • the distributed power of the first output terminal 3d and the second output terminal 3c is equal to half of the input signal power, and the first output terminal 3d
  • the output phase is delayed by 90 degrees with respect to the output phase of the second output 3c.
  • the first fixed phase shifter 4 is located between the first output terminal Id of the first directional coupler 1 and the first input terminal 3a of the third directional coupler 3, and the transmission phase phase of the first fixed phase shifter 4
  • the transmission phase of the first input terminal 2a to the first output terminal 2d of the second directional coupler 2 is delayed by 90 degrees
  • the second fixed phase shifter 5 is located at the second output terminal 3c and the second output of the third directional coupler 3
  • the 90-degree lag phase shifter that is, the transmission phase of the second fixed phase shifter 5 is delayed by 90 degrees with respect to the transmission phase of the first output terminal 3d of the third directional coupler 3 to the third output port out3.
  • the third fixed phase shifter 6 is located between the second output end 2c of the second directional coupler 2 and the first output port out1, and the transmission phase of the third fixed phase shifter 6 is opposite to the second directional coupler 2
  • the transmission phase of one output terminal 2d to the second output port out2 is delayed by 90 degrees.
  • the first to third fixed phase shifters adopt a 1/4 wavelength short-circuit loading branch structure, and the structures of the first to third fixed phase shifters comprise Two 1/4 ⁇ transmission lines of the same impedance and a 1/4 ⁇ short-circuit transmission line connected in parallel at the midpoint of the two transmission lines.
  • the second fixed phase shifter 5 is composed of a 5-segment transmission line, and includes a 3c-5a, 5a-5b, 5b-5c, 5c-out2 segment transmission line and a 5b-5s segment transmission line connected to the 3c-out2 midpoint.
  • the 3c-5a and 5c-out2 transmission lines are 50 ohm transmission lines, and the 5a-5b and 5b-5c transmission lines have the same line width (impedance) and the same electrical length, both of which are 1/4 ⁇ ( ⁇ is the fixed phase shifter operating frequency band).
  • the center frequency), the 5b-5s segment is a 1/4 ⁇ short-circuit transmission line loaded in parallel, and the terminal is short-circuited to the floor (not shown) through the conductive hole 5s.
  • the transmission phase of the 3c-out2 segment transmission line at the center frequency can be delayed by 90° with respect to the transmission phase of the 3d-out3 segment transmission line, and then by adjusting 5a-5c and 5b.
  • -5s segment transmission line width (impedance) to adjust the transmission phase of the 3c-out2 segment transmission line at the center frequency relative to the delay phase value of the 3d-out3 segment transmission line.
  • the signal first passes through the second directional coupler 2 to split the two signals, and the signal of the first output terminal 2d of the second directional coupler 2 is 2/3 Z-90°,
  • the output 2c signal is 1/3 Z0°, wherein the signal 2/3 Z-90° flows to the third directional coupler 3, and the signal 1/3 Z 0° flows to the third fixed phase shifter 6.
  • the signals of the first output terminal 3d and the second output terminal 3c of the third directional coupler 3 are respectively 1/3 Z-180°, 1/3 Z -90°, the output signal of the third output port out3 is 1/3 Z-180°; the signal 1/3 ⁇ -90°
  • the output signal of the second output port out2 is 1/3 Z -180°; and the signal 1/3 Z0° of the second output terminal 2c of the second directional coupler 2 passes through the third fixed phase shifter 6, and the output signal of the first output port out1 is 1/3 Z-180°.
  • the output signals of the first output port out1, the second output port out2, and the third output port out3 are respectively 1/3 Z - 180. , 1/3 Z-180 0 , 1/3 Z-180 0 , that is, when feeding from the first input port in1, the signals of the first to third output ports are equal in amplitude and phase.
  • the signal first passes through the first directional coupler 1 Two signals are output, the first output terminal Id signal of the first directional coupler 1 is 1/2 ⁇ -90°, and the second output terminal lc signal is 1/2Z0°, wherein the signal 1/2Z0° flows to the second directional coupling
  • the signal 2, 1/2 ⁇ -90 ° flows to the first fixed phase shifter 4.
  • the signals of the first output end 2d and the second output end 2c of the second directional coupler 2 are 1/6Z0° and 1/3Z-90 0 respectively , wherein the signal 1/6Z0° flows to the third directional coupler 3, and the signal 1/3 ⁇ -90° flows to the third fixed phase shifter 6, wherein the signal 1/6Z0° passes through the third directional coupler 3, and the third directional coupler 3
  • the signals of the first output terminal 3d and the second output terminal 3c are respectively l/12Z-90°, 1/12Z0 0 , and the signal 1/12Z0° passes through the second fixed phase shifter 5, and the signal of the second output port out2 1/12 ⁇ -90°, wherein the signal 1/3 Z-90° passes through the third fixed phase shifter 6, the signal of the first output port out1 is 1/3 ⁇ -270°; the first directional coupler 1
  • the signal of the first output terminal Id is 1/2 ⁇ -90°.
  • the signal of the first input terminal 3a of the third directional coupler 3 is 1/2Z-180°, and the signal 1/2Z-180 ° through the third directional coupler 3, the third directional coupler 3 3D output of a first and a second signal output terminal 3c are 1 / 4Z-180 °, 1 / 4Z-270 0, 1 / 4Z-270 0 after passing through the second stationary phase shifter 5,
  • a signal output port out2 is 1 / 4 ⁇ -360 °.
  • the signal from the second input port in2 to the second output port out2 is a vector superposition of the signal 1/12 ⁇ -90° with the signal 1/4 ⁇ -360°, which is 1/3 ⁇ -30°;
  • the second input port in2 to the second The signal of the output port out3 is a vector superposition of the signal 1/12 ⁇ -90° and the signal 1/4Z-180°, which is 1/3 Z-150°; therefore, if the signal is input from the second input port in2, then the first The signals of the output port outl, the second output port out2, and the third output port out3 are respectively 1/3 Z - 270. 1/3Z-30 0 , 1/3Z-150 0 , that is, when feeding from the second input port in2, the signals of the first to third output ports are equal in amplitude, and the phase difference of the distributed power of the adjacent output ports is - 120°.
  • the signal first passes through the first directional coupler 1 and then splits two signals.
  • the first output terminal Id signal is 1/2Z0°
  • the second output terminal lc signal is 1/2 ⁇ . -90°, where the signal 1/2 ⁇ -90° flows to the second directional coupler 2, and the signal 1/2Z0° flows to the first fixed phase shifter 4.
  • the signals of the first output end 2d and the second output end 2c of the second directional coupler 2 are respectively l/6Z-90° and 1/3Z-180 0 , wherein the signal 1/6 ⁇ -90° flows to the third directional coupler 3, and the signal 1/3 Z-180° flows to the third fixed phase shifter 6, wherein the signal 1/6 Z-90° passes through the third directional coupler 3
  • the signals of the first output end 3d and the second output end 3c of the third directional coupler 3 are 1/12Z-180°, 1/12 ⁇ -90°, and the signal is 1/12 ⁇ -90° and then passes through the second.
  • the signal of the second output port out2 is 1/12Z-180°, wherein the signal of the first output port out1 is 1 after the signal 1/3 Z -180° passes through the third fixed phase shifter 6. /3 ⁇ -360° ; Signal 1/2Z0° After the first fixed phase shifter 4, the signal of the first input terminal 3a of the third directional coupler 3 is 1/2 ⁇ -90°, and the signal is 1/2 ⁇ -90°.
  • the signals of the first output end 3d and the second output end 3c of the third directional coupler 3 are respectively l/4Z-90°, 1/4Z-180°, 1/4Z-180 0
  • the signal of the second output port out2 is 1/4 ⁇ -270°.
  • the signal from the third input port in3 to the second output port out2 is a vector superposition of the signal 1/12 ⁇ -180° with the signal 1/4 ⁇ -270°, which is 1/3 ⁇ -240°; the third input port in3 to the third output The signal of port out3 is the vector superposition of signal 1/12Z-180° and signal 1/4 ⁇ -90°, which is 1/3 Z-120°; therefore, if the signal is input from the third input port in3, the first output
  • the signals of the port outl, the third output port out2, and the third output port out3 are respectively l/3 Z-360°, 1/3 -240 0 , 1/3 Z-120 0 , that is, when feeding from the third input port in3 When the power is on, the signals of the first to third output ports are equal in amplitude, and the phase difference of the distributed power of the adjacent output ports is +120°.
  • FIG. 5 are simulation results of an IE3D according to an embodiment of the present invention, where ports 1, 2, and 3 correspond to a first input port in1, a second input port in2, and a third input port in3, respectively, and ports 4, 5, and 6 respectively correspond to the first An output port outl, a third output port out2, and a third output port out3.
  • the return loss of the first input port in1, the second input port in2, and the third input port in3 three beam ports are below -23 dB in the wide frequency band 1710-217 MHz, the first to the third input ports The isolation between them is greater than 26 dB over the operating frequency range.
  • the adjacent output ports of the first to third output ports When input from the first input port in1, the adjacent output ports of the first to third output ports have a phase difference in the operating frequency band of 0° ⁇ 1 °, and the amplitudes are all in the range of -5.0 ⁇ 0.4 dB, and the loss is less than 0.3dB;
  • the adjacent output ports of the first to third output ports When input from the second input port in2, the adjacent output ports of the first to third output ports have a phase difference in the operating frequency range of -120° ⁇ 4°, and the amplitude is in the range of -5.0 ⁇ 0.2dB.
  • the loss is less than 0.3dB; when input from the third input port in3, the adjacent output ports of the first to third output ports have a phase difference in the operating frequency band of 120° ⁇ 2°, and the amplitude is -5.05 ⁇
  • the loss is less than 0.3dB in the 0.4dB range.
  • An output port of a 3 X 3 Butler matrix provided by an embodiment of the present invention can connect three antenna arrays to generate three differently directed beams on three input ports.
  • Embodiment 2
  • a 5 ⁇ 6 Butler matrix provided by an embodiment of the present invention is composed of a fourth directional coupler 1 , a fifth directional coupler 2 , a power splitter 3 , a first 3 ⁇ 3 Butler matrix 4 , and a second 3 ⁇ 3 Butler matrix 5 .
  • the fourth fixed phase shifter 6 and the fifth fixed phase shifter 7 are composed; wherein each directional coupler has two input ends and two output ends, respectively being a first input end, a second input end, and a first output And the second output end;
  • the 5X6 Butler matrix has five signal input ports, respectively being a first input port in1, a second input port in2, a third input port in3, a fourth input port in4, and a fifth input port In5, there are six output ports, which are a first output port outl, a second output port out2, a third output port out3, a fourth output port out4, a fifth output port out5, and a sixth output port out6.
  • the power splitter 3 has an input terminal 3a, a first output terminal 3c and a second output terminal 3b.
  • the connection relationship of the components in the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 6.
  • the input end 3a of the power splitter 3 is connected to the first input port in1 of the 5X6 Butler matrix, and the second output end 3b of the splitter 3 is connected to the first a first input port 5c of the two 3X3Butler matrix 5, a first output 3c of the splitter 3 is connected to a first input port 4c of the first 3 X 3 Butler matrix 4; a second input of the fifth directional coupler 2 2b is connected to the second input port in2 of the 5 X 6 Butler matrix, the first input 2a is connected to the third input port in3 of the 5 X 6 Butler matrix, and the second output 2c is connected to the second input port 5b of the second 3X3 Butler matrix 5
  • the first output 2d is connected to the second input port 4b of the first 3 X3 Butler matrix 4 via a fifth fixed phase shifter 7 ; the second input lb of the fourth directional coupler 1 is connected to the 5 X 6
  • 3X3Butler the second matrix output port 5d 5 of a first, a second and a third output port 5e 5f output port connected to the first output port outl 5X6Butler matrix, a fifth output port and a third output out5
  • the port out3, the first output port 4d, the second output port 4e, and the third output port 4f of the first 3X3Butler matrix 4 are respectively connected to the second output port out2, the sixth output port out6, and the fourth output port out4 of the 5X6 Butler matrix.
  • the fourth directional coupler 1 and the fifth directional coupler 2 are equal power distribution directional couplers having a phase shifting characteristic of 90 degrees, and the working principle is the first directional coupler and the third in the first embodiment. Set The same is to the coupler, and will not be described here.
  • the embodiment of the present invention adopts the 3 ⁇ 3 Butler matrix provided in the first embodiment, in order to avoid the complexity of the schematic diagram, the first 3 ⁇ 3 Butler matrix 4 and the second 3 ⁇ 3 Butler matrix 5 are omitted in FIG. 7, and only FIG. 6 is shown.
  • the fourth directional coupler 1 and the fifth directional coupler 2 are both implemented by a wideband branch line coupler structure.
  • the structures of the fourth directional coupler 1 and the fifth directional coupler 2 are also in the shape of a "day", wherein the lower left corner and the lower right corner The two nodes are respectively a first input end and a second input end, and the two nodes in the upper left corner and the upper right corner are respectively a first output end and a second output end.
  • the power splitter 3 is an equal-power, equal-phase power splitter, that is, when the signal is fed from the input terminal 3a of the power splitter 3, the signal phase of the first output terminal 3c and the second output terminal 3b of the power divider 3 Equal, the same amplitude.
  • the power splitter 3 is implemented using a 3 dB Wilkinson power splitter structure.
  • the fourth fixed phase shifter 6 is a 30° lead phase shifter between the first output terminal Id of the fourth directional coupler 1 and the third input port 4a of the first 3 ⁇ 3 Butler matrix 4.
  • the fifth fixed phase shifter 7 is a 150° lead phase shifter between the first output 2d of the fifth directional coupler 2 and the second input port 4b of the first 3 X 3 Butler matrix 4.
  • the fourth fixed phase shifter 6 is composed of three sections of transmission lines, which are ld-6a, 6a-f, 6a-6b section transmission lines, wherein the transmission lines of the ld-6a and 6a-f sections have the same line width (impedance), and the electrical length The same, both are 1/4 ⁇ ( ⁇ is the center frequency of the phase shifter operating frequency band), the 6a-6b segments are parallel-loaded 1/4 ⁇ short-circuit transmission lines, and the terminals are short-circuited to the floor (not shown) through the conductive holes 6s.
  • the transmission phase of the ld-f segment transmission line at the center frequency can be advanced by 30° with respect to the transmission phase of the lc-e segment transmission line, and then the transmission lines of the ld-f and 6a-6b segments can be adjusted.
  • the width (impedance) changes the transmission phase of the ld-f segment transmission line over the entire frequency band relative to the leading phase value of the lc-e segment transmission line.
  • ld can be made.
  • the transmission phase of the -f segment transmission line is 30° ahead of the lc-e segment transmission line with an error of ⁇ 1 °.
  • the specific structures of the first 3 X 3 Butler matrix 4 and the second 3 X 3 Butler matrix 5 are the same as those provided in the first embodiment, and are not described herein again.
  • the nodes a, b, c, d, e, f are between the first to third input ports of the first 3X3 Butler matrix 4 and the first to third input ports of the second 3X3 Butler matrix 5 Connect with a 50 ohm cable of the same length (not shown).
  • the signal If the RF signal is input from the first input port in1, the signal first passes through the power splitter 3, and then the two signals are separated.
  • the first output terminal 3c of the power divider 3 has a signal of 1/2Z0°, and flows to the first 3X3Butler matrix 4.
  • the signals of the second output port out2, the fourth output port out4, and the sixth output port out6 of the 5X6Butler matrix are 1/6Z0°, 1/6Z0 0 , 1/6 0°, respectively;
  • the signal of the second output terminal 3b of 3 is 1/2Z0°, and flows to the second 3X3Butler matrix 5.
  • the first output port out1, the third output port out3, and the fifth output port out5 of the 5X6 Butler matrix The signals are 1/6Z0°, 1/6Z0 0 , 1/6Z0°, respectively.
  • the output port of the first six are 1/6 Z 0 °, 1 / 6Z0 °, 1 / 6Z0 0, 1 / 6Z0 °, 1 / 6Z0 ° 1/6Z0°
  • the distribution power amplitude of adjacent output ports is the same, which is 1/6
  • the phase difference of the distributed power of adjacent output ports is 0°.
  • the signals of the port out6 and the fourth output port out4 are respectively l/6Z+60°, 1/6Z-60 0 , 1/6 -180°;
  • the signal of the second output terminal 2c of the fifth directional coupler 2 is 1/2Z0 °, flowing to the second 3 X 3Butler matrix 5, after the second 3X3Butler matrix 5, the signals of the first output port outl, the fifth output port out5, and the third output port out3 of the 5 X6 Butler matrix are respectively 1/6Z0°, 1 /6Z-120°,
  • the signals of the first to sixth output ports are 1/6Z0 0 , 1/6Z+60 0 , 1/6 240, respectively.
  • the distribution power amplitude of adjacent output ports is the same, 1/6
  • the distributed power phase difference of adjacent output ports is +60° .
  • the signal If the RF signal is input from the third input port in3, the signal first passes through the fifth directional coupler 2 and the fifth fixed phase shifter 7, and then the two signals are separated, and the first output terminal 2d of the fifth directional coupler 2 has a signal of 1 /2 Z0°, after the fifth fixed power splitter 7, the signal is Z+150°, flowing to the first 3 X 3 Butler matrix 4, after the first 3 X 3 Butler matrix 4, the second output port out2 of the 5 X 6 Butler matrix
  • the signals of the sixth output port out6 and the fourth output port out4 are 1/6Z+150°, l/6Z+30°, 1/6Z-90°, respectively; the second output end 2c signal of the fifth directional coupler 2 1/2 ⁇ -90°, flowing to the second 3 ⁇ 3Butler matrix 5, after passing through the second 3 ⁇ 3 Butler matrix 5, the first output port out1, the fifth output port out5, and the third output port out3 of the 5 ⁇ 6 Butler matrix
  • the signals are 1/6 ⁇ -90°, 1/6 -210°, 1
  • an output port of the first six were 1 / 6Z-90 0, 1 / 6Z + 150 0, 1 / 6Z-330 0, 1/6 -90 0 , 1/6 Z-210°, 1/6 ⁇ +30°, the distribution power amplitude of adjacent output ports is the same, 1/6, and the distributed power phase difference of adjacent output ports is -120°.
  • the signal If the RF signal is input from the fourth input port in4, the signal first passes through the fourth directional coupler 1 and the fourth fixed phase shifter 6, and then the two signals are separated, and the first output terminal Id signal of the fourth directional coupler 1 is 1 /2 Z-90°, after the fourth fixed power splitter 6, the signal is Z-60°, flows to the first 3 X 3 Butler matrix 4, after the first 3 X 3 Butler matrix 4, the second output of the 5 X 6 Butler matrix
  • the signals of the port out2, the sixth output port out6, and the fourth output port out4 are respectively l/6Z-60°, l/6Z+60°, 1/6Z +180°; the second output of the fourth directional coupler 1
  • the lc signal is 1/2Z0° and flows to the second 3 ⁇ 3Butler matrix 5.
  • the first output port out1, the fifth output port out5, and the third output port out3 of the 5 ⁇ 6 Butler matrix The signals are 1/6Z0°, 1/6 +120°, 1/6Z+240 0 respectively . Therefore, if the signal is input from the fourth input port in4, the signals of the first to sixth output ports are 1/6Z0°, 1/6Z-60 0 , 1/6Z+240 0 , 1/6Z+180 0 , respectively. 1/6 Z+120°, 1/6 ⁇ +60°, the distribution power amplitude of adjacent output ports is the same, which is 1/6, and the distributed power phase difference of adjacent output ports is -60°.
  • the signal first passes through the fourth directional coupler 1 and the fourth fixed phase shifter 6 to separate two signals, and the first output terminal Id signal of the fourth directional coupler 1 is 1 /2 Z0°, after the fourth fixed power splitter 6, the signal is Z+30°, and flows to the first 3 X 3 Butler matrix 4, after the first 3 X 3 Butler matrix 4, the second output port out2 of the 5 X 6 Butler matrix Sixth output
  • the signals of the port out6 and the fourth output port out4 are 1/6Z+30 0 , 1/6Z+150 0 , 1/6 +270° respectively;
  • the second output terminal lc signal of the fourth directional coupler 1 is 1/2 ⁇ -90°, flowing to the second 3X 3Butler matrix 5, after passing through the second 3X3Butler matrix 5, the signals of the first output port outl, the fifth output port out5, and the third output port out3 of the 5 X6 Butler matrix are respectively 1/6 ⁇ -90 °, 1/6 +30°, 1/6Z
  • the signals of the first to sixth output ports are respectively l/6Z-90°, 1/6Z+30 0 , 1/6Z+150 0 , 1/6Z+270 0 , 1/6 Z+30°, 1/6Z+150 0 , the distribution power amplitude of adjacent output ports is the same, which is 1/6, and the distributed power phase difference of adjacent output ports is +120°.
  • FIG. 11 are simulation results of an IE3D according to an embodiment of the present invention.
  • nodes a, b, c, d, e, f and first to third input ports of the first 3 ⁇ 3 Butler matrix 4 and a second 3 ⁇ 3 Butler matrix 5 The cables between the first to third input ports are replaced by 50 ohm transmission lines, and ports 1, 2, 3, 4, and 5 correspond to the first to fifth input ports, respectively, and ports 6, 7, 8, 9, 10, and 11 respectively.
  • the return loss of the five beam ports of the first to fifth input ports is below -22dB in the wide frequency band 1710-217MHZ, and the isolation between the first to fifth input ports is within the operating frequency range.
  • both are greater than 22dB.
  • the adjacent ports of the first to sixth output ports have a phase difference in the operating frequency band of 0° ⁇ 2°, and the amplitude is in the range of -8.1 ⁇ 0.5dB, and the loss is Less than 0.5dB ;
  • the adjacent ports in the first to sixth output ports have a phase difference in the operating frequency band of +60° ⁇ 4.5°, and the amplitude is -8.15 ⁇ 0.22 In the dB range, the loss is less than 0.5dB;
  • the adjacent ports in the first to sixth output ports have a phase difference in the operating frequency range of -120° ⁇ 2°, both amplitudes In the range of -8.16 ⁇ 0.2dB, the loss is less than 0.5dB;
  • the adjacent port of the first to sixth output ports has a phase difference of -60° ⁇
  • the amplitude is in the range of -8.07 ⁇ 0.4dB, and the loss is less than 0.5dB.
  • the phase difference of the adjacent ports in the first to sixth output ports in the working frequency band is + In the range of 120 ° ⁇ 2 °, the amplitude is in the range of -8.22 ⁇ 0.52 dB, loss Less than 0.5dB.
  • An output port of a 5X6 Butler matrix can be connected to five antenna arrays according to an embodiment of the present invention. 5 Five different pointing beams are respectively generated at five input ports.

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Abstract

本发明涉及一种3×3Butler矩阵，包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一固定移相器、第二固定移相器和第三固定移相器；还涉及一种5×6Butler矩阵，包括第一3×3Butler矩阵、第二3×3Butler矩阵、第四定向耦合器、第五定向耦合器、功分器、第四固定移相器和第五固定移相器。本发明提供的3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵具有尺寸小、频带宽、损耗小、高隔离度且性能稳定的特点，填补了现有技术中关于3×3Butler矩阵和5× 6Butler矩阵的具体技术方案的空白，具有广泛的应用前景和价值。

Description

一种 3 X 3Butler矩阵和 5 X 6Butler矩阵 技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域， 更具体地涉及一种用于波束形成网络 的 3 X 3Butler矩阵禾卩 5 X 6Butler矩阵。 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）矩阵的尺寸较大， 频带 较窄， 且具有较高的耗损， 有待于进一步地完善。 发明内容
本发明的目的在于， 针对现有技术中存在的不足， 提供一种尺寸小、 频带 宽、 损耗小、 高隔离度且性能稳定的 3 X 3Butler矩阵和 5 X 6Butler矩阵。
为实现上述目的， 本发明采用以下技术方案：
一种 3 X 3Butler矩阵， 包括第一定向耦合器、 第二定向耦合器、 第三定向 耦合器、 第一固定移相器、 第二固定移相器和第三固定移相器； 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 3 X 3Butler矩阵有三个输入端口和三个输出端口， 分别为第一输入端 口、 第二输入端口、 第三输入端口、 第一输出端口、 第二输出端口和第三输出 端口；
所述第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口， 所述第一定向耦 合器的第二输入端连接到第二输入端口， 第一定向耦合器的第一输入端连接到 第三输入端口； 第一定向耦合器的第一输出端通过第一固定移相器连接到第三 定向耦合器的第一输入端， 第一定向耦合器的第二输出端与第二定向耦合器的 第一输入端连接， 第二定向耦合器的第一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通过第三固定移相器连接到第一输出端 口， 第三定向耦合器的第二输出端通过第二固定移相器连接到第二输出端口， 第三定向耦合器的第一输出端连接到第三输出端口；
其中， 所述第一固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输入 端到第一输出端的传输相位延迟 90度， 所述第二固定移相器的传输相位相对于 第三定向耦合器的第一输出端到第三输出端口的传输相位延迟 90度， 所述第三 固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输出端到第二输出端口的 传输相位延迟 90度。
进一步地， 所述第一至三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， 第一定向耦合器和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， 其两输出端的分配功率相等， 分别是输入信号功率的一半; 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， 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 ;
当从第一、 第二或第三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。
进一步地， 所述第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器为微带结构或 带状线结构。
进一步地， 所述第一至三定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。 进一步地， 所述第一至三固定移相器的结构包括相互串联的阻抗相同的两 段 1/4λ传输线和在这两个传输线的中点处连接并联加载的 1/4λ短路传输线或
1/2λ开路传输线， λ为固定移相器工作频段的中心频率。
一种 5 X 6Butler矩阵， 包括第一 3 X 3Butler矩阵、 第二 3 X 3Butler矩阵、 第四定向耦合器、 第五定向耦合器、 功分器、 第四固定移相器和第五固定移相 器； 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； 所述功分器具有输入端、 第一输出端 和第二输出端；
所述 5X6Butler矩阵有五个输入端口和六个输出端口， 分别为第一至五输 入端口和第一至六输出端口；
所述功分器的输入端连接到 5X6Butler矩阵的第一输入端口， 功分器的第 二输出端连接到第二 3X3Butler矩阵的第一输入端口， 功分器的第一输出端连 接到第一 3X3Butler矩阵的第一输入端口； 所述第五定向耦合器的第二输入端 连接到 5X6Butler矩阵的第二输入端口， 第一输入端连接到 5X6Butler矩阵的 第三输入端口， 第二输出端连接到第二 3X3Butler矩阵的第二输入端口， 第一 输出端通过第五固定移相器连接到第一 3X3Butler矩阵的第二输入端口； 所述 第四定向耦合器的第二输入端连接到 5X6Butler矩阵的第四输入端口， 第一输 入端连接到 5 X 6Butler矩阵的第五输入端口，第二输出端连接到第二 3 X 3Butler 矩阵的第三输入端口， 第一输出端通过第四固定移相器连接到第一 3X3Butler 矩阵的第三输入端口； 所述第二 3X3Butler矩阵 5的第一输出端口、 第二输出 端口和第三输出端口分别连接到 5X6Butler矩阵的第一输出端口、 第五输出端 口和第三输出端口， 第一 3X3Butler矩阵 4的第一输出端口、 第二输出端口和 第三输出端口分别连接到 5X6Butler矩阵的第二输出端口、 第六输出端口和第 四输出端口；
所述第四固定移相器为 30° 超前移相器， 所述第五固定移相器为 150° 超 前移相器。
进一步地， 所述第四定向耦合器和第五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；
所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为具有 90度移相特性的等功率分配 定向耦合器， 其两输出端的分配功率相等， 分别是输入信号功率的一半；
当从第四或第五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。
进一步地， 所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为分支线耦合器或耦合 线耦合器。
进一步地， 所述功分器为等功率、 等相位功分器。
本发明提供的一种 3 X 3Butler矩阵的输出端口可以连接 3个天线阵列， 在 三个输入端口分别生成 3个不同指向的波束。 本发明提供的一种 5 X 6Butler矩 阵的输出端口可以连接 5个天线阵列， 在五个输入端口分别生成 5个不同指向 的波束。 本发明提供的 3 X 3Butler矩阵和 5 X 6Butler矩阵具有尺寸小、 频带宽、 损耗小、 高隔离度且性能稳定的特点， 填补了现有技术中关于 3 X 3Butler矩阵 和 5 X 6Butler矩阵的具体技术方案的空白， 具有广泛的应用前景和价值。 附图说明
图 1是本发明实施例一的拓扑结构图。
图 2本发明实施例一的微带结构示意图。
图 3是本发明实施例一中的第二固定移相器的结构示意图。
图 4是本发明实施例一的 S参数仿真结果图。
图 5是图 4的仿真结果参数表。
图 6是本发明实施例二的拓扑结构图。
图 7本发明实施例二的部分微带结构示意图。
图 8是图 7中的第四固定移相器的结构示意图。
图 9是本发明实施例二的 S参数仿真结果图。
图 10和图 11是图 9的仿真结果参数表。 具体实施方式
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。
实施例一
请参照图 1和图 2， 本发明实施例提供的一种 3 X 3Butler (巴特勒） 矩阵由 第一定向耦合器 1、 第二定向耦合器 2、 第三定向耦合器 3、 第一固定移相器 4、 第二固定移相器 5和第三固定移相器 6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 3 X 3Butler矩阵有 3个信号输入端口， 分别为第一输入端口 inl、 第 二输入端口 in2和第三输入端口 in3，有 3个输出端口，分别为第一输出端口 outl、 第二输出端口 out2和第三输出端口 out3。
本发明实施例中各部件的连接关系如图 1所示， 所述第二定向耦合器 2的 第二输入端 2b连接到第一输入端口 inl , 所述第一定向耦合器 1的第二输入端 lb连接到第二输入端口 in2， 第一定向耦合器 1的第一输入端 la连接到第三输 入端口 in3; 第一定向耦合器 1的第一输出端 Id通过第一固定移相器 4连接到 第三定向耦合器 3的第一输入端 3a，第一定向耦合器 1的第二输出端 lc与第二 定向耦合器 2的第一输入端 2a连接， 第二定向耦合器 2的第一输出端 2d与第 三定向耦合器 3的第二输入端 3b连接， 第二定向耦合器 2的第二输出端 2c通 过第三固定移相器 6连接到第一输出端口 outl , 第三定向耦合器 3的第二输出 端 3c通过第二固定移相器 5连接到第二输出端口 out2， 第三定向耦合器 3的第 一输出端 3d连接到第三输出端口 out3。
第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均可以采用微带或带状线结构 来实现。 在本发明实施例中， 第一至三定向耦合器和第一至三固定移相器均采 用微带结构来实现。
所述第一至三定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。 在本发明实施 例中， 第一至三定向耦合器都采用 2阶分支线耦合器（branch line coupler)结构 来实现， 请参照图 2。所述第一至三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。 所述第一至三定向耦合器具有 90度相移特性， 即当从第一、第二或第三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 la馈电时， 第一输出端 Id与第二输 出端 lc的分配功率相等，为输入信号功率的一半，第二输出端 lc的输出相位相 对于第一输出端 Id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 lb馈电时， 第一输出端 Id与第二输出端 lc的分配功率相等， 为输 入信号功率的一半， 第一输出端 Id的输出相位相对于第二输出端 lc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 2d的分配功率是 第二输出端 2c的分配功率的一半， 即第一输出端 2d的分配功率是输入信号功 率的 1/3， 第二输出端 2c的分配功率是输入信号功率的 2/3， 第二输出端 2c的 输出相位相对于第一输出端 2d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 2c的分配功率是第一输出端 2d 的分配功率的一半， 即第二输出端 2c的分配功率是输入信号功率的 1/3， 第一 输出端 2d的分配功率是输入信号功率的 2/3， 第一输出端 2d的输出相位相对于 第二输出端 2c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 3d与第二输出端 3c 的分配功率相等， 为输入信号功率的一半， 第二输出端 3c的输出相位相对于第 一输出端 3d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 3d与第二输出端 3c的分配功率相等， 为输入信号 功率的一半， 第一输出端 3d的输出相位相对于第二输出端 3c的输出相位延迟 90度。
进一步地， 第一固定移相器 4位于第一定向耦合器 1的第一输出端 Id和第 三定向耦合器 3第一输入端 3a之间， 第一固定移相器 4的传输相位相对于第二 定向耦合器 2的第一输入端 2a到第一输出端 2d的传输相位延迟 90度； 第二固 定移相器 5位于第三定向耦合器 3的第二输出端 3c和第二输出端口 out2之间， 为 90度滞后移相器， 即第二固定移相器 5的传输相位相对于第三定向耦合器 3 的第一输出端 3d到第三输出端口 out3的传输相位延迟 90度； 第三固定移相器 6位于第二定向耦合器 2的第二输出端 2c和第一输出端口 outl之间， 第三固定 移相器 6的传输相位相对于第二定向耦合器 2的第一输出端 2d到第二输出端口 out2的传输相位延迟 90度。
为了实现移相器的宽频特性， 在本发明实施例中， 第一至三固定移相器采 用 1/4波长短路加载枝节结构，所述第一至三固定移相器的结构包括相互串联且 阻抗相同的两段 1/4λ传输线和在这两个传输线的中点处连接并联加载的 1/4λ 短路传输线。
由于第一至三固定移相器的结构相似， 原理相同， 在此仅以第二固定移相 器 5为例， 分析其结构和原理， 请参照图 3。 第二固定移相器 5由 5段传输线组 成， 包括依次连接的 3c-5a、 5a-5b、 5b-5c、 5c-out2段传输线和连接于 3c-out2 中点的 5b-5s段传输线， 其中 3c-5a和 5c-out2段传输线为 50欧姆传输线， 5a-5b 和 5b-5c段的传输线的线宽 (阻抗)相同， 电长度相同， 都为 1/4λ (λ 为固定移 相器工作频段的中心频率）， 5b-5s段为并联加载的 1/4λ短路传输线， 终端通过 导电孔 5s与地板 （未画出） 短路。 首先， 通过调节 3c-5a与 5c-out2段的线长， 可以使 3c-out2段传输线在中心频率的传输相位相对 3d-out3段传输线的传输相 位延迟 90° ，再通过调节 5a-5c和 5b-5s段传输线的宽度（阻抗）来调节 3c-out2 段传输线在中心频率的传输相位相对 3d-out3段传输线的延迟相位数值，选择合 适的线宽 （阻抗）， 可以使 3c-out2 段传输线在整个工作频段的传输相位相对 3d-out3段传输线延迟 90° ， 误差在 ±2° 以内， 从而实现移相器的宽频设计。
本发明实施例的工作原理如下：
射频信号若从第一输入端口 inl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 2d信号为 2/3 Z-90° ， 第二输出 端 2c信号为 1/3 Z0° ， 其中信号 2/3 Z-90° 流向第三定向耦合器 3， 信号 1/3 Z 0° 流向第三固定移相器 6。 信号 2/3 Z-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 3d、 第二输出端 3c信号分别为 1/3 Z-180° 、 1/3 Z -90° ，第三输出端口 out3输出信号为 1/3 Z-180° ；信号 1/3 Ζ-90° 经过第二固 定移相器 5后， 第二输出端口 out2输出信号为 1/3 Z-180° ； 而第二定向耦合器 2的第二输出端 2c的信号 1/3 Z0° 经过第三固定移相器 6后，第一输出端口 outl 输出信号为 1/3 Z-180° 。 因此， 若从第一输入端口 inl输入信号后， 则第一输 出端口 outl、 第二输出端口 out2、 第三输出端口 out3的输出信号分别为 1/3 Z -180。 、 1/3 Z-1800 、 1/3 Z-1800 ， 即当从第一输入端口 inl馈电时， 第一至三 输出端口的信号等幅等相。
射频信号若从第二输入端口 in2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 Id信号为 1/2Ζ-90° ， 第二输出 端 lc信号为 1/2Z0° ，其中信号 1/2Z0° 流向第二定向耦合器 2，信号 1/2Ζ-90° 流向第一固定移相器 4。信号 1/2Z0° 经过第二定向耦合器 2后， 第二定向耦合 器 2的第一输出端 2d、 第二输出端 2c的信号分别为 1/6Z0° 、 1/3Z-900 ， 其 中信号 1/6Z0° 流向第三定向耦合器 3，信号 1/3 Ζ-90° 流向第三固定移相器 6， 其中信号 1/6Z0° 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 3d、 第二输出端 3c信号分别为 l/12Z-90° 、 1/12Z00 ， 信号 1/12Z0° 再经过 第二固定移相器 5后， 第二输出端口 out2的信号为 1/12Ζ-90° ， 其中信号 1/3 Z-90° 经过第三固定移相器 6后， 第一输出端口 outl的信号为 1/3Ζ-270° ； 第一定向耦合器 1的第一输出端 Id的信号 1/2Ζ-90° 经过第一固定移相器 4后， 第三定向耦合器 3的第一输入端 3a信号为 1/2Z-180° ， 信号 1/2Z-180° 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 3d、第二输出端 3c信号 分别为 1/4Z-180° 、 1/4Z-2700 ， 1/4Z-2700 经过第二固定移相器 5后， 第二 输出端口 out2的信号为 1/4Ζ-360° 。第二输入端口 in2到第二输出端口 out2的 信号为信号 1/12Ζ-90° 与信号 1/4Ζ-360° 的矢量叠加， 为 1/3 Ζ-30° ； 第二输 入端口 in2到第二输出端口 out3的信号为信号 1/12Ζ-90° 与信号 1/4Z-180° 的 矢量叠加， 为 1/3 Z-150° ； 因此， 若从第二输入端口 in2输入信号后， 则第一 输出端口 outl、 第二输出端口 out2、 第三输出端口 out3 的信号分别为 1/3 Z -270。 、 1/3Z-300 、 1/3Z-1500 ， 即当从第二输入端口 in2馈电时， 第一至三 输出端口的信号等幅相等， 相邻输出端口的分配功率相位差为 -120° 。
射频信号若从第三输入端口 in3输入，信号首先经过第一定向耦合器 1后分 出两路信号，第一输出端 Id信号为 1/2Z0° ，第二输出端 lc信号为 1/2Ζ-90° ， 其中信号 1/2Ζ-90° 流向第二定向耦合器 2，信号 1/2Z0° 流向第一固定移相器 4。 信号 1/2Ζ-90° 经过第二定向耦合器 2后， 第二定向耦合器 2的第一输出端 2d、 第二输出端 2c信号分别为 l/6Z-90° 、 1/3Z-1800 ， 其中信号 1/6Ζ-90° 流向第三定向耦合器 3， 信号 1/3 Z-180° 流向第三固定移相器 6， 其中信号 1/6 Z-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 3d、 第二输 出端 3c的信号分别为 1/12Z-180° 、 1/12Ζ-90° ， 信号 1/12Ζ-90° 再经过第二 固定移相器 5后， 第二输出端口 out2的信号为 1/12Z-180° ， 其中信号 1/3 Z -180° 经过第三固定移相器 6后， 第一输出端口 outl的信号为 1/3 Ζ-360° ； 信 号 1/2Z0° 经过第一固定移相器 4后， 第三定向耦合器 3的第一输入端 3a信号 为 1/2Ζ-90° ， 信号 1/2Ζ-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 3d、第二输出端 3c信号分别为 l/4Z-90° 、1/4Z-180° , 1/4Z-1800 经过第二固定移相器 5后， 第二输出端口 out2的信号为 1/4Ζ-270° 。 第三输入 端口 in3到第二输出端口 out2信号为信号 1/12Ζ-180° 与信号 1/4Ζ-270° 的矢 量叠加， 为 1/3 Ζ-240° ； 第三输入端口 in3到第三输出端口 out3的信号为信号 1/12Z-180° 与信号 1/4Ζ-90° 的矢量叠加， 为 1/3 Z-120° ； 因此， 若从第三输 入端口 in3输入信号后， 则第一输出端口 outl、第三输出端口 out2、 第三输出端 口 out3的信号分别为 l/3 Z-360° 、 1/3 -2400 、 1/3 Z-1200 ， 即当从第三输入 端口 in3馈电时， 第一至三输出端口的信号等幅相等， 相邻输出端口的分配功率 相位差为 +120° 。
图 4至图 5为本发明实施例的 IE3D仿真结果， 端口 1、 2、 3分别对应第一 输入端口 inl、 第二输入端口 in2、 第三输入端口 in3， 端口 4、 5、 6分别对应第 一输出端口 outl、 第三输出端口 out2、 第三输出端口 out3。 从图中可以看到， 第一输入端口 inl、第二输入端口 in2、第三输入端口 in3三波束端口的回波损耗 在宽频频段 1710-217MHZ内都在 -23dB以下， 第一至三输入端口之间的隔离度 在工作频率范围内均大于 26dB。 当从第一输入端口 inl输入时， 第一至三输出 端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在 0° ± 1 ° 范围内， 幅度都在 -5.0 ±0.4dB范围内， 损耗小于 0.3dB; 当从第二输入端口 in2输入时， 第一至三输 出端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在 -120° ±4° 范围内， 幅度都在 -5.0± 0.2dB范围内， 损耗小于 0.3dB; 当从第三输入端口 in3输入时， 第一至三 输出端口的相邻输出端口在工作频段内的相位差在 120° ±2° 范围内， 幅度都 在 -5.05 ±0.4dB范围内， 损耗小于 0.3dB。
本发明实施例提供的一种 3 X 3Butler矩阵的输出端口可以连接 3个天线阵 歹 在三个输入端口分别生成 3个不同指向的波束。 实施例二
请参照图 6和图 7，本发明实施例提供的一种 5X6Butler矩阵由第四定向耦 合器 1、 第五定向耦合器 2、 功分器 3、 第一 3X3Butler矩阵 4、 第二 3X3Butler 矩阵 5、 第四固定移相器 6和第五固定移相器 7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 5X6巴特勒矩阵有 5个信号输入端口， 分别为第一输入端口 inl、第二输入端口 in2、第三输入端口 in3、第四输入端口 in4、第五输入端口 in5， 有 6个输出端口， 分别为第一输出端口 outl、 第二输出端口 out2、 第三输出端 口 out3、 第四输出端口 out4、 第五输出端口 out5、 第六输出端口 out6。 所述功 分器 3具有输入端 3a、 第一输出端 3c和第二输出端 3b。
本发明实施例中各部件的连接关系如图 6所示， 所述功分器 3的输入端 3a 连接到 5X6Butler矩阵的第一输入端口 inl, 功分器 3的第二输出端 3b连接到 第二 3X3Butler矩阵 5的第一输入端口 5c，功分器 3的第一输出端 3c连接到第 一 3 X 3Butler矩阵 4的第一输入端口 4c; 所述第五定向耦合器 2的第二输入端 2b连接到 5 X 6Butler矩阵的第二输入端口 in2，第一输入端 2a连接到 5 X 6Butler 矩阵的第三输入端口 in3， 第二输出端 2c连接到第二 3X3Butler矩阵 5的第二 输入端口 5b，第一输出端 2d通过第五固定移相器 7连接到第一 3 X3Butler矩阵 4的第二输入端口 4b;所述第四定向耦合器 1的第二输入端 lb连接到 5 X 6Butler 矩阵的第四输入端口 in4， 第一输入端 la连接到 5X6Butler矩阵的第五输入端 口 in5， 第二输出端 lc连接到第二 3 X 3Butler矩阵 5的第三输入端口 5a， 第一 输出端 Id通过第四固定移相器 6连接到第一 3X3Butler矩阵 4的第三输入端口 4a; 所述第二 3X3Butler矩阵 5的第一输出端口 5d、 第二输出端口 5e和第三输 出端口 5f分别连接到 5X6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第五输出端口 out5 和第三输出端口 out3， 第一 3X3Butler矩阵 4的第一输出端口 4d、 第二输出端 口 4e和第三输出端口 4f分别连接到 5X6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第六 输出端口 out6和第四输出端口 out4。
具体地， 第四定向耦合器 1和第五定向耦合器 2均为具有 90度移相特性的 等功率分配定向耦合器， 其工作原理与实施例一中的第一定向耦合器和第三定 向耦合器相同， 在此不再赘述。
由于本发明实施例采用了实施例一中提供的 3 X 3Butler矩阵， 为免示意图 过于复杂， 图 7省略了第一 3 X 3Butler矩阵 4和第二 3 X 3Butler矩阵 5， 仅示出 了图 6中的节点 、 b、 c、 d、 e、 f 以下部分的结构。 具体地， 在本发明实施例 中，第四定向耦合器 1和第五定向耦合器 2都采用宽频分支线耦合器 (branch line coupler) 结构来实现。 与实施例一中的第一至三定向耦合器的结构相同， 所述 第四定向耦合器 1和第五定向耦合器 2的结构的形状也呈 "日"字型， 其中左 下角和右下角的两个节点分别为第一输入端和第二输入端， 左上角和右上角的 两个节点分别为第一输出端和第二输出端。
所述功分器 3为等功率、 等相位功分器， 即当信号从功分器 3的输入端 3a 馈电时， 功分器 3的第一输出端 3c和第二输出端 3b信号相位相等， 幅度相同。 在本发明实施例中， 功分器 3采用 3dB威尔金森 （Wilkinson) 功分器结构来实 现。
进一步地， 所述第四固定移相器 6为 30° 超前移相器， 位于第四定向耦合 器 1的第一输出端 Id和第一 3 X 3Butler矩阵 4的第三输入端口 4a之间； 第五 固定移相器 7为 150° 超前移相器， 位于第五定向耦合器 2的第一输出端 2d和 第一 3 X 3Butler矩阵 4的第二输入端口 4b之间。
为了实现移相器的宽频特性， 在本发明实施例中， 由于第四、 第五固定移 相器的结构相似， 原理相同， 在此仅以第四固定移相器 6为例， 分析其结构和 原理， 请参照图 8。 第四固定移相器 6由 3段传输线组成， 分别为 ld-6a、 6a-f、 6a-6b段传输线， 其中 ld-6a和 6a-f段的传输线的线宽 (阻抗)相同， 电长度相同， 都为 1/4λ (λ 为移相器工作频段的中心频率）， 6a-6b段为并联加载的 1/4λ短 路传输线， 终端通过导电孔 6s与地板（未画出） 短路。 首先通过调节 lc-e段传 输线的长度， 可以使 ld-f段传输线在中心频率的传输相位相对 lc-e段传输线的 传输相位超前 30° ，再通过调节 ld-f和 6a-6b段传输线的宽度（阻抗）改变 ld-f 段传输线在整个频段内的传输相位相对 lc-e段传输线的超前相位数值， 通过选 择合适的 ld-f和 6a-6b段传输线线宽（阻抗）， 可以使 ld-f段传输线在整个工作 频段的传输相位相对 lc-e段传输线超前 30° ， 误差在 ± 1 ° 以内。 第一 3 X 3Butler矩阵 4和第二 3 X 3Butler矩阵 5的具体结构与实施例一中 提供的结构相同， 在此不再赘述。
进一步地， 在本发明实施例中， 节点 a、 b、 c、 d、 e、 f 与第一 3X3Butler 矩阵 4的第一至三输入端口和第二 3X3Butler矩阵 5的第一至三输入端口之间 用相同长度的 50欧姆电缆连接 （未画出）。
本发明实施例的工作原理如下：
射频信号若从第一输入端口 inl输入，信号首先经过功分器 3后分出两路信 号， 功分器 3的第一输出端 3c信号为 1/2Z0° ， 流向第一 3X3Butler矩阵 4， 经过第一 3X3Butler矩阵 4后， 5X6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第四输出 端口 out4、 第六输出端口 out6的信号分别为 1/6Z0° 、 1/6Z00 、 1/6 0° ； 功 分器 3的第二输出端 3b信号为 1/2Z0° ， 流向第二 3X3Butler矩阵 5， 经过第 二 3X3Butler矩阵 5后， 5X6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第三输出端口 out3、 第五输出端口 out5的信号分别为 1/6Z0° 、 1/6Z00 、 1/6Z0° 。 因此， 若从第一输入端口 inl 输入信号后， 则第一至六输出端口的信号分别为 1/6 Z 0° 、 1/6Z0° 、 1/6Z00 、 1/6Z0° 、 1/6Z0° 、 1/6Z0° ， 相邻输出端口的分 配功率幅度相同， 为 1/6， 相邻输出端口的分配功率相位差为 0° 。
射频信号若从第二输入端口 in2输入，信号首先经过第五定向耦合器 2和第 五固定移相器 7后分出两路信号，第五定向耦合器 2的第一输出端 2d信号为 1/2 Z-90° ，通过第五固定功分器 7后信号为 Z+60° ，流向第一 3X3Butler矩阵 4， 经过第一 3X3Butler矩阵 4后， 5X6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第六输出 端口 out6、 第四输出端口 out4 的信号分别为 l/6Z+60° 、 1/6Z-600 、 1/6 -180° ；第五定向耦合器 2的第二输出端 2c信号为 1/2Z0° ，流向第二 3 X 3Butler 矩阵 5， 经过第二 3X3Butler矩阵 5后， 5 X6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第五输出端口 out5、 第三输出端口 out3的信号分别为 1/6Z0° 、 1/6Z-120° 、 1/6Z-2400 。 因此， 若从第二输入端口 in2输入信号后， 则第一至六输出端口的 信号分别为 1/6Z00 、 1/6Z+600 、 1/6 240。 、 1/6Z-1800 、 1/6Z-1200 、 1/6Z-600 ， 相邻输出端口的分配功率幅度相同， 为 1/6， 相邻输出端口的分配 功率相位差为 +60° 。 射频信号若从第三输入端口 in3输入，信号首先经过第五定向耦合器 2和第 五固定移相器 7后分出两路信号，第五定向耦合器 2的第一输出端 2d信号为 1/2 Z0° ，通过第五固定功分器 7后信号为 Z+150° ， 流向第一 3 X 3Butler矩阵 4， 经过第一 3 X 3Butler矩阵 4后， 5 X 6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第六输出 端口 out6、 第四输出端口 out4的信号分别为 1/6Z+150° 、 l/6Z+30° 、 1/6Z -90° ； 第五定向耦合器 2的第二输出端 2c信号为 1/2Ζ-90° ， 流向第二 3 X 3Butler矩阵 5， 经过第二 3 X 3Butler矩阵 5后， 5 X 6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第五输出端口 out5、 第三输出端口 out3的信号分别为 1/6Ζ-90° 、 1/6 -210° 、 1/6Ζ-330° 。 因此， 若从第三输入端口 in3输入信号后， 则第一至六输 出端口的信号分别为 1/6Z-900 、 1/6Z+1500 、 1/6Z-3300 、 1/6 -900 、 1/6 Z-210° 、 1/6Ζ+30° ， 相邻输出端口的分配功率幅度相同， 为 1/6， 相邻输出 端口的分配功率相位差为 -120° 。
射频信号若从第四输入端口 in4输入，信号首先经过第四定向耦合器 1和第 四固定移相器 6后分出两路信号，第四定向耦合器 1的第一输出端 Id信号为 1/2 Z-90° ，通过第四固定功分器 6后信号为 Z-60° ，流向第一 3 X 3Butler矩阵 4， 经过第一 3 X 3Butler矩阵 4后， 5 X 6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第六输出 端口 out6、 第四输出端口 out4 的信号分别为 l/6Z-60° 、 l/6Z+60° 、 1/6Z +180° ； 第四定向耦合器 1 的第二输出端 lc信号为 1/2Z0° ， 流向第二 3 X 3Butler矩阵 5， 经过第二 3 X 3Butler矩阵 5后， 5 X 6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第五输出端口 out5、 第三输出端口 out3 的信号分别为 1/6Z0° 、 1/6 +120° 、 1/6Z+2400 。 因此， 若从第四输入端口 in4输入信号后， 则第一至六 输出端口的信号分别为 1/6Z0° 、 1/6Z-600 、 1/6Z+2400 、 1/6Z+1800 、 1/6 Z+120° 、 1/6Ζ+60° ， 相邻输出端口的分配功率幅度相同， 为 1/6， 相邻输出 端口的分配功率相位差为 -60° 。
射频信号若从第五输入端口 in5输入，信号首先经过第四定向耦合器 1和第 四固定移相器 6后分出两路信号，第四定向耦合器 1的第一输出端 Id信号为 1/2 Z0° ， 通过第四固定功分器 6后信号为 Z+30° ， 流向第一 3 X 3Butler矩阵 4， 经过第一 3 X 3Butler矩阵 4后， 5 X 6Butler矩阵的第二输出端口 out2、第六输出 端口 out6、 第四输出端口 out4的信号分别为 1/6Z+300 、 1/6Z+1500 、 1/6 +270° ； 第四定向耦合器 1的第二输出端 lc信号为 1/2Ζ-90° ， 流向第二 3X 3Butler矩阵 5， 经过第二 3X3Butler矩阵 5后， 5 X6Butler矩阵的第一输出端口 outl、 第五输出端口 out5、 第三输出端口 out3的信号分别为 1/6Ζ-90° 、 1/6 +30° 、 1/6Z+150° 。 因此， 若从第五输入端口 in5输入信号后， 则第一至六输 出端口的信号分别为 l/6Z-90° 、 1/6Z+300 、 1/6Z+1500 、 1/6Z+2700 、 1/6 Z+30° 、 1/6Z+1500 ， 相邻输出端口的分配功率幅度相同， 为 1/6， 相邻输出 端口的分配功率相位差为 +120° 。
图 9至图 11为本发明实施例的 IE3D仿真结果，仿真过程中，节点 a、 b、 c、 d、 e、 f与第一 3X3Butler矩阵 4的第一至三输入端口和第二 3X3Butler矩阵 5 的第一至三输入端口之间的电缆用 50欧姆的传输线代替， 端口 1、 2、 3、 4、 5 分别对应第一至五输入端口， 端口 6、 7、 8、 9、 10、 11分别对应第一至六输出 端口。 从图中可以看到， 第一至五输入端口的五波束端口的回波损耗在宽频频 段 1710-217MHZ内都在 -22dB以下， 第一至五输入端口之间的隔离度在工作频 率范围内均大于 22dB。 当从第一输入端口 inl输入信号时， 第一至六输出端口 中的相邻端口在工作频段内的相位差在 0° ±2° 范围内， 幅度都在 -8.1±0.5dB 范围内， 损耗小于 0.5dB; 当从第二输入端口 in2输入信号时， 第一至六输出端 口中的相邻端口在工作频段内的相位差在 +60° ±4.5° 范围内， 幅度都在 -8.15 ±0.22dB范围内， 损耗小于 0.5dB; 当从第三输入端口 in3输入信号时， 第一至 六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在 -120° ±2° 范围内， 幅度都 在 -8.16±0.2dB范围内， 损耗小于 0.5dB; 当从第四输入端口 in4输入信号时， 第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在 -60° ±2° 范围内，幅 度都在 -8.07 ±0.4dB范围内， 损耗小于 0.5dB; 当从第五输入端口 in5输入信号 时， 第一至六输出端口中的相邻端口在工作频段内的相位差在 +120° ±2° 范围 内， 幅度都在 -8.22±0.52dB范围内， 损耗小于 0.5dB。
本发明实施例提供的一种 5X6Butler矩阵的输出端口可以连接 5个天线阵 歹 在五个输入端口分别生成 5个不同指向的波束。
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

权 利 要 求 书
1、 一种 3 X 3Butler矩阵， 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、 第一固定移相器、 第二固定移相器和第三固定移相器; 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 3 X 3Butler矩阵有三个输入端口和三个输出端口， 分别为第一输入端 口、 第二输入端口、 第三输入端口、 第一输出端口、 第二输出端口和第三输出 端口；
所述第二定向耦合器的第二输入端连接到第一输入端口， 所述第一定向耦 合器的第二输入端连接到第二输入端口， 第一定向耦合器的第一输入端连接到 第三输入端口； 第一定向耦合器的第一输出端通过第一固定移相器连接到第三 定向耦合器的第一输入端， 第一定向耦合器的第二输出端与第二定向耦合器的 第一输入端连接， 第二定向耦合器的第一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通过第三固定移相器连接到第一输出端 口， 第三定向耦合器的第二输出端通过第二固定移相器连接到第二输出端口， 第三定向耦合器的第一输出端连接到第三输出端口；
其中， 所述第一固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输入 端到第一输出端的传输相位延迟 90度， 所述第二固定移相器的传输相位相对于 第三定向耦合器的第一输出端到第三输出端口的传输相位延迟 90度， 所述第三 固定移相器的传输相位相对于第二定向耦合器的第一输出端到第二输出端口的 传输相位延迟 90度。
2、 根据权利要求 1所述的 3 X 3Butler矩阵， 其特征在于， 所述第一至三定 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。
3、 根据权利要求 2所述的 3 X 3Butler矩阵， 其特征在于， 第一定向耦合器 和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， 其两输出端 的分配功率相等， 分别是输入信号功率的一半；
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， 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 ; 当从第一、 第二或第三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。
4、 根据权利要求 1所述的 3X3Butler矩阵， 其特征在于， 所述第一至三定 向耦合器和第一至三固定移相器为微带结构或带状线结构。
5、 根据权利要求 4所述的 3X3Butler矩阵， 其特征在于， 所述第一至三定 向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。
6、 根据权利要求 4所述的 3x3Butler矩阵， 其特征在于， 所述第一至三固 定移相器的结构包括相互串联的阻抗相同的两段 1/4λ传输线和在这两个传输线 的中点处连接并联加载的 1/4λ短路传输线或 1/2λ开路传输线， λ为固定移相器 工作频段的中心频率。
7、一种 5 X 6Butler矩阵，包括权利要求 1至 6任一所述的 3 X 3Butler矩阵， 其特征在于， 包括第一 3X3Butler矩阵、 第二 3 X3Butler矩阵、 第四定向耦合 器、 第五定向耦合器、 功分器、 第四固定移相器和第五固定移相器； 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； 所述功分器具有输入端、 第一输出端和第二输出端； 所述 5X6Butler矩阵有五个输入端口和六个输出端口， 分别为第一至五输 入端口和第一至六输出端口；
所述功分器的输入端连接到 5X6Butler矩阵的第一输入端口， 功分器的第 二输出端连接到第二 3X3Butler矩阵的第一输入端口， 功分器的第一输出端连 接到第一 3X3Butler矩阵的第一输入端口； 所述第五定向耦合器的第二输入端 连接到 5X6Butler矩阵的第二输入端口， 第一输入端连接到 5X6Butler矩阵的 第三输入端口， 第二输出端连接到第二 3X3Butler矩阵的第二输入端口， 第一 输出端通过第五固定移相器连接到第一 3X3Butler矩阵的第二输入端口； 所述 第四定向耦合器的第二输入端连接到 5X6Butler矩阵的第四输入端口， 第一输 入端连接到 5 X 6Butler矩阵的第五输入端口，第二输出端连接到第二 3 X 3Butler 矩阵的第三输入端口， 第一输出端通过第四固定移相器连接到第一 3X3Butler 矩阵的第三输入端口； 所述第二 3X3Butler矩阵 5的第一输出端口、 第二输出 端口和第三输出端口分别连接到 5X6Butler矩阵的第一输出端口、 第五输出端 口和第三输出端口， 第一 3 X 3Butler矩阵 4的第一输出端口、 第二输出端口和 第三输出端口分别连接到 5 X 6Butler矩阵的第二输出端口、 第六输出端口和第 四输出端口；
所述第四固定移相器为 30° 超前移相器， 所述第五固定移相器为 150° 超 前移相器。
8、 根据权利要求 7所述的 5 X 6Butler矩阵， 其特征在于， 所述第四定向耦 合器和第五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；
所述第四定向耦合器和第五定向耦合器为具有 90度移相特性的等功率分配 定向耦合器， 其两输出端的分配功率相等， 分别是输入信号功率的一半；
当从第四或第五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。
9、 根据权利要求 7所述的 5 X 6Butler矩阵， 其特征在于， 所述第四定向耦 合器和第五定向耦合器为分支线耦合器或耦合线耦合器。
10、 根据权利要求 7所述的 5 X 6Butler矩阵， 其特征在于， 所述功分器为 等功率、 等相位功分器。
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