專利名稱：一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多波束天線的Butler矩陣波束形成網(wǎng)絡，更具體地涉及一種高隔離 度的2X4 Butler矩陣的多層PCB板結(jié)構(gòu)。 多波束天線早期多用于衛(wèi)星通信方面，但隨著移動通信的迅速發(fā)展，正面臨著頻 譜容量不足等問題。多波束天線由于其可同時產(chǎn)生多個波束的方向圖特性，被引用到蜂窩 移動通信領(lǐng)域，以增加網(wǎng)絡容量。 其中Butler矩陣是產(chǎn)生多波束的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的2X4的Butler矩陣，可以連 接四個天線陣列，在兩個波束端口處分別生成兩個不同波束。Butler矩陣設(shè)計包括功分單 元以及移相單元，其中功分單元廣泛采用電橋設(shè)計，如美國專利公開號US3255450(A)以及 US3295134(A)，中國專利公開號CN1553725所披露的方案，但上述設(shè)計存在以下不足
首先單個電橋的帶寬特性不佳，尤其是隔離度帶寬較差，如在天線陣列的整個工 作頻率下，電橋的隔離度一般只能高于20dB ; 其次，上述方案還存在相移延長線，并普遍存在信號線的交叉，造成尺寸大，加工 不便。 中國專利公開號CN101227216披露了一種新型的Butler矩陣，但其最大的優(yōu)點僅 是消除了信號線的交叉點，而同樣存在隔離度帶寬窄、尺寸大等缺點。 本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸小、帶寬范圍寬、一致性和穩(wěn)定性較好，且具有 高隔離度的耦合式Butler矩陣結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 —種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)具有多個波 束端口和多個天線陣列端口 ，所述的多個波束端口用于接受相應的輸入射頻信號，多個天 線陣列端口用于向相應的多個天線陣列單元輸出相干信號，其中，多個接受相應輸入射頻 信號的波束端口至少對應一個響應于相應輸入射頻信號的天線波束圖形，所述的多個波束 端口與多個天線陣列端口間由多個耦合型功分器單元和多個移相器單元組成的網(wǎng)絡互相 連接； 其特征在于所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)蝕刻在三層印刷電路板上。 通過三層印刷電路板的架構(gòu)設(shè)計，使得Butler矩陣結(jié)構(gòu)的集成度更高，體積更
小，同時三層電路板的架構(gòu)設(shè)計還非常有利于線路布局，巧妙的消除了相移延長線，避免了
信號線的交叉，使加工更加方便。另一方面，三層電路板的架構(gòu)設(shè)計使得耦合式功率分配方
案成為可能，大大增加了工作帶寬，同時提高了隔離度。 作為上述技術(shù)方案的改良，本發(fā)明的進一步技術(shù)方案如下 上述的印刷電路板上層和下層為信號層，中間層為接地層。以便于為耦合性功分器的設(shè)置和布局提供可能。 上述的信號層可增加接地結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成共面波導。 上述印刷電路板的接地層在耦合型功分器處設(shè)有挖空區(qū)，以實現(xiàn)上層和下層之間 的信號耦合。 上述印刷電路板的上層和下層之間設(shè)有貫穿孔，以實現(xiàn)上層和下層之間的直流導 通。 上述的多個波束端口數(shù)量為四個，其中兩個波束端口接匹配電阻，上述的多個天 線陣列端口的數(shù)量為四個，以實現(xiàn)2X4結(jié)構(gòu)Butler矩陣。 上述的移相器單元的移相角度為90。；多個移相器單元數(shù)量為兩個；多個耦合型 功分器單元數(shù)量為四個；每個耦合型功分器單元具有兩個輸入；每個耦合型功分器單元具 有兩個輸出；兩個輸出中的其中一個輸出比另一個輸出信號延遲90。。通過以上結(jié)構(gòu)改 良，實現(xiàn)了兩個移相器單元，四個耦合型功分器單元，兩個輸入，兩個輸出，且一個輸出比另 一個輸出信號延遲90。的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 上述的四個耦合型功分器單元，其中兩個耦合型功分器單元為等功率分配耦合型 功分器單元。 上述的四個耦合型功分器單元，其中另外兩個耦合型功分器單元為不等功率分配 耦合型功分器單元。 上述Butler矩陣結(jié)構(gòu)的單元端口和天線陣列端口處均設(shè)有若干孤立的金屬塊。 此種結(jié)構(gòu)是為了便于調(diào)試。 其有益效果是本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中普遍存在的帶寬特性不佳，尤其是隔離 度帶寬較差，且存在相移延長線，存在信號線的交叉，造成尺寸大，加工不便等諸多不足。提 供了一種全新設(shè)計的耦合式Butler矩陣結(jié)構(gòu)。通過三層電路板的架構(gòu)設(shè)計以及耦合式功 分器等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使得所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點 1、通過三層電路板的架構(gòu)設(shè)計，使得所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)尺寸大大縮小，且為 耦合式功分器的設(shè)計提供了可能； 2、通過耦合式功分器的設(shè)計，使得帶寬范圍寬、一致性和穩(wěn)定性較好，且具有較高 隔離度； 3、三層電路板的架構(gòu)設(shè)計使得布線靈活度更高，能有效的避免信號線的交叉。 [
] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的頂層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的中間層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的底層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明的S參數(shù)仿真結(jié)果圖。 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不作為對本發(fā)明的 限定。
本實施例是采用2X4的Butler矩陣結(jié)構(gòu)。如圖1所示，其顯示了本實施例的三 層電路板結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，本實施例包括四個天線陣列端口，分別標記為 0utl、 0ut2、 Out3、 0ut4 ;兩個波束端口 ，分別標記為portA、 portB ;兩個不等功率分配耦合 型功分器單元，分別標記為la、lb ;兩個等功率分配耦合型功分器單元，分別標記為2a、2b ; 兩個移相器單元，分別標記為3a、3b ;兩個匹配端口，分別標記為C、D ;兩個貫穿孔4，以實現(xiàn) 上層和下層的直流導通；各端口處有調(diào)試用的孤立金屬塊5 ;中間接地層分別設(shè)有挖空區(qū)6 和7 (如圖3所示)，用以實現(xiàn)上層和下層功分器的耦合，與連接上層和下層的貫穿孔4的位 置相對應，中間接地層上還設(shè)有挖空區(qū)8 (如圖3所示)，以便貫穿孔4通過。
圖1中l(wèi)a、 lb為不等功率分配耦合器，其為一個1/4波長耦合器，portA、portB為 輸入端，C、D為隔離端，在隔離端C、D上接51歐姆的貼片電阻作匹配，直通端為連接2b的 兩端，設(shè)計其輸出_0.8dB Z-90° ，耦合端為連接2a的兩端，設(shè)計其輸出為-8. 5dBZ0。； 2a、2b為等功率分配耦合器，若從portA輸入，則out2、 out4為直通端，outl、 out3為耦合 端，若portB輸入，則out 1 、out3為直通端，out2、out4為耦合端，直通端比耦合端相位延遲 90° 。 射頻信號若從portA端口進入，經(jīng)過不等分功率分配耦合器la后分出兩路信號， 分別為-0.8dB Z-90° 、-8. 5dBZ0。，其中信號-0. 8dB Z-90°流向等功率分配耦合器 2b，信號-8. 5dB Z0°流向等功率分配耦合器2a，而連接la與2b的帶狀線對比連接la 與2a的帶狀線的超出長度為3a，其長度為工作波長的四分之一，則信號-0. 8dB Z -90° 延遲90°即為-0.8dB Z-180° ，經(jīng)過等功率分配耦合器2b后，out3、 out4的輸出分別 為-3. 8dB Z -180° 、 -3. 8dB Z -270° ;而信號-8. 5dB Z 0°經(jīng)過等功率分配耦合器2a 后，outl、 out2的輸出分別為-ll. 5dB Z 0° 、-11. 5dB Z-90° 。因此，若portA輸入信 號，則outl、out2、out3、out4輸出端信號分別為-11. 5dBZ0。 、_11. 5dBZ_90° 、_3. 8dB Z -180° 、-3. 8dB Z -270° 。 同理，若射頻信號從portB輸入，在經(jīng)過不等分功率分配耦合器lb后分出兩路信 號，分別為-O. 8dB Z-90° 、-8. 5dBZ0。，其中信號-0. 8dB Z-90°流向等功率分配耦 合器2b，信號-8. 5dB Z 0°流向等功率分配耦合器2a，而連接lb與2b的帶狀線對比連接 lb與2a的帶狀線的超出長度為3b，其長度為工作波長的四分之一，則信號-0. 8dB Z -90° 延遲90°即為-0.8dB Z-180° ，經(jīng)過等功率分配耦合器2b后，out3、 out4的輸出分別 為-3. 8dB Z -270° 、 -3. 8dB Z -180° ;而信號-8. 5dB Z 0°經(jīng)過等功率分配耦合器2a 后，outl、 out2的輸出分別為-ll. 5dB Z-90° 、-11. 5dB Z 0° 。因此，若portB輸入信 號，則outl、out2、out3、out4輸出端信號分別為-11. 5dBZ_90° 、-11. 5dBZ0。 、_3. 8dB Z -270° 、-3. 8dB Z -180° 。 圖5為該實施例的HFSS仿真結(jié)果，從圖中可以看到，portA、 portB兩波束端口的 回波損耗都在_23dB以下，portA與portB兩波束端口間的隔離度在工作頻率范圍內(nèi)均大于 43dB。把相位特性歸一化后，也可以得到portA端口輸入時outl、 out2、 out3、 out4端口的 幅相特性為-ll. 8dB Z 0° 、-11. 9dB Z-89. 8° 、-3. 9dB Z-181° 、-3. 86dB Z-272° ; portB端口輸入時outl、out2、out3、out4端口的幅相特性為:-ll. 8dBZ-92、-11. 8dBZ0。、-3. 89dB Z -268° 、_3. 88dB Z -178° ，由此也可以得出該Butler結(jié)構(gòu)的損耗小于-0. 3dB。
由于實施例是三層PCB板，隨著每一批次的板材差異，加工精度的不同和四個單
6元端口 out 1 、 out2、 out3、 out4連接的天線陣列阻抗的差異，會影響到portA、 portB兩端口 的駐波比、隔離度，因此在實施例中引入多個孤立金屬片5，在焊接端口時根據(jù)需要連接一 片或多片孤立金屬片，用于微調(diào)portA、 portB兩端口的駐波比和隔離度，使其得到最優(yōu)電 性能。 上述實施例僅為本發(fā)明的一較佳實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不僅僅受上述 實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明創(chuàng)新點所作的改變、替代、組合或簡化，都應視為 等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)具有多個波束端口和多個天線陣列端口，所述的多個波束端口用于接受相應的輸入射頻信號，多個天線陣列端口用于向相應的多個天線陣列單元輸出相干信號，其中，多個接受相應輸入射頻信號的波束端口至少對應一個響應于相應輸入射頻信號的天線波束圖形，所述的多個波束端口與多個天線陣列端口間由多個耦合型功分器單元和多個移相器單元組成的網(wǎng)絡互相連接；其特征在于所述的Butler矩陣結(jié)構(gòu)蝕刻在三層印刷電路板上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的印刷電路板上層和下層為信號層，中間層為接地層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的信號層可增加接地結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成共面波導。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述印刷電路板的接地層在耦合型功分器處設(shè)有挖空區(qū)，實現(xiàn)上層和下層信號耦合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述印刷電路板的上層和下層之間設(shè)有貫穿孔，以實現(xiàn)上層和下層之間的直流導通。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的多個波束端口數(shù)量為四個。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的四個波束端口中的其中兩個波束端口接匹配電阻，實現(xiàn)2X4結(jié)構(gòu)Butler矩陣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的多個天線陣列端口的數(shù)量為四個。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的移相器單元的移相角度為90。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的多個移相器單元數(shù)量為兩個。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的多個耦合型功分器單元數(shù)量為四個。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的每個耦合型功分器單元具有兩個輸入。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的每個耦合型功分器單元具有兩個輸出。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的兩個輸出中的其中一個輸出比另一個輸出信號延遲90。。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的四個耦合型功分器單元，其中兩個耦合型功分器單元為等功率分配耦合型功分器單 元。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的四個耦合型功分器單元，其中另外兩個耦合型功分器單元為不等功率分配耦合型功 分器單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求l-16任一項所述的一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，其特 征在于所述Butler矩陣結(jié)構(gòu)的單元端口和天線陣列端口處均設(shè)有若干孤立的金屬塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于波束形成網(wǎng)絡的Butler矩陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有多個波束端口和多個天線陣列端口，多個波束端口用于接受相應的輸入射頻信號，多個天線陣列端口用于向相應的多個天線陣列單元輸出相干信號，其中，多個接受相應輸入射頻信號的波束端口至少對應一個響應于相應輸入射頻信號的天線波束圖形，所述的多個波束端口與多個天線陣列端口間由多個耦合型功分器單元和多個移相器單元組成的網(wǎng)絡互相連接，該結(jié)構(gòu)蝕刻在三層印刷電路板上，具有體積小、帶寬范圍寬、一致性和穩(wěn)定性較好，隔離度較高等優(yōu)點。
文檔編號H01Q25/00GK101707497SQ20091004087
公開日2010年5月12日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者伍裕江, 曾駿, 陳鵬 申請人:廣東通宇通訊設(shè)備有限公司