[发明专利]一种基于微带结构的宽带Butler矩阵

说明书

本发明公开了一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，属于微波无源器件技术领域。本发明包括从上而下依次排布的三层结构：金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层；金属覆铜上层包括四个宽带四线耦合器和两个短路加载移相器；四个宽带四线耦合器依次间隔呈中心旋转对称排布，两个短路加载移相器加载于宽带四线耦合器靠近中心的末端。本发明使用两种宽带四线耦合器与宽带四分之一波长短路加载移相器相结合，使该微带结构巴特勒矩阵具有了宽带效果，在中心频点2.215GHz处相对带宽达到48.3％，同时微带结构也具有结构简单、易于加工和成本低的优点，拓展了该Butler矩阵在多波束天线系统中的应用空间。

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种基于微带结构的宽带Butler矩阵，适用于5G、Massive MIMO等多波束通信系统的馈电网络中。

背景技术

随着无线用户数量的增加，传统的无线系统已无法满足多用户、高数据流和未来5G的通讯要求。为了提高通讯容量、改善信噪比和提高天线的抗干扰能力，多波束技术被广泛应用于现代的无线通讯系统中。波束成形网络作为多波束系统的重要组成部分可以预先设计几个高增益、低旁瓣固定窄波束覆盖的区域，控制波束指向达到提高通讯能力的目的。

Butler矩阵由Jeasse Butler和Rolph Lowe于1961年提出，作为一种功率分配与合成无源器件，在不同的输入端输入信号时在输出端会产生等幅且相位差恒定的N路输出信号，可以实现阵列天线的多波束扫描，因此其作为波束成形网络被广泛应用于多波束天线系统中。经过半个多世纪的发展，Butler矩阵已经通过多种电路结构形式得以实现，主要包括：微带线、带状线、基片集成介质波导、共面波导、介质集成悬置线等。

基于微带线自身结构原因，基于其结构形式的Butler矩阵相比于带状线、介质集成悬置线和多层介质基板结构的Butler矩阵带宽较窄，带宽通常小于20％，限制了其在很多宽带场合中的应用。但是相比于单层微带结构，其他多层结构Butler矩阵展宽带宽的同时也增加了结构的复杂程度提高了生产成本。随着微波集成电路的发展，基于Butler矩阵的波束成形网络也朝着宽频、小型化、低成本、高集成度的方向发展，因此单层微带结构的宽带Butler矩阵的研究得到了人们越来越多的重视。

为了展宽基于微带结构Butler矩阵的带宽，众多专家学者进行了广泛而深入的研究。对于单层结构的Butler矩阵通常使用级联形式的耦合器和交叉结是展宽带宽的有效途径，2014年，文献“Broadband 4x4Butler Matrix Using Wideband 90°hybrid Couplersand Crossovers for Beamforming Networks”用级联多个分支线定向耦合器的方法来展宽耦合器和交叉节的带宽，但是级联会增大耦合器和交叉结的尺寸同时由于路径的增加也会带来过多的损耗。交叉结作为Butler矩阵的组成部分，其带宽特性将会影响到整个矩阵的带宽，在一些设计中通过将宽带耦合器与宽带移相器相结合的方法避免了交叉结对矩阵带宽的限制得到了宽带的Butler矩阵。在2016年，文献“Study of Wideband Patch-BasedButler Matrix and Its High-Frequency Application”用贴片型耦合器和移相器构成了不使用交叉节相对带宽达到29.6％的宽带Butler矩阵。上述的两种方法在一定程度上增加了矩阵的带宽，但是相对带宽通常都在30％以下，限制了其在很多宽带场合中的应用。

综上所述，尽管有多种方法来展宽基于微带结构Butler的带宽，但是随着无线通讯朝着高速、宽带方向的发展，目前的宽带Butler矩阵还无法满足需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于微带结构的宽带Butler矩阵。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：