阅读说明：本技术 一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络 (Integrated multi-beam feed network based on Butler matrix ) 是由 李越 张永健 刘培钦 张志军 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络,并基于此设计了一种双馈电网络框架,由两类基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络构成。每一类馈电网络各包含有2个输入端口及8个输出端口,分别采用了2个加载移相器的功分器、4个定向耦合器、6个交叉耦合器与8个相位补偿器,通过设置不同的移相器单元,两类多波束馈电网络可分别在输出端口处形成±22.5°或±67.5°两组相反的梯度分布相位。双馈电网络框架共包含有4个输入端口与16个输出端口,可设置在射频端口与天线阵列的天线端口之间,采用微带电路形式实现,与天线单元阵列集成并能够组合形成四个波束实现区域覆盖。(The invention discloses an integrated multi-beam feed network based on a Butler matrix, and designs a double feed network framework based on the integrated multi-beam feed network, wherein the double feed network framework is composed of two types of integrated multi-beam feed networks based on the Butler matrix. Each type of feed network comprises 2 input ports and 8 output ports, 2 power dividers for loading phase shifters, 4 directional couplers, 6 cross couplers and 8 phase compensators are respectively adopted, and two types of multi-beam feed networks can respectively form two groups of opposite gradient distribution phases of +/-22.5 degrees or +/-67.5 degrees at the output ports by arranging different phase shifter units. The double feed network frame comprises 4 input ports and 16 output ports in total, can be arranged between a radio frequency port and an antenna port of the antenna array, is realized in a microstrip circuit mode, is integrated with the antenna unit array and can be combined to form four beams to realize area coverage.)

一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络

技术领域

本发明属于微波工程技术领域，特别涉及一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络。

背景技术

在波束成形网络的实现方案中，与相控阵、透镜天线等方案相比，基于电路类的多波束馈电网络具有设计简单、体积小巧、易于集成等优势。传统的Butler矩阵作为电路类波束成形网络中的一种，同时具有多个输入端口与输出端口，可以形成输出端口间独特的相位分布，可以实现天线阵列的多波束需求，因而得到了广泛的研究。一般而言，N×N Butler矩阵，即具有N个输入端口与N个输出端口的Butler矩阵，包含一定数量的移相器与定向耦合器。通过对这些器件的适当设置，可以在输出端口间形成N种相位分布，使得天线阵列可实现N个波束。然而，在实际应用场景中，基于Butler矩阵的多波束馈电网络主要面临以下两个问题：在通信场景中，部分波束指向没有通信链路存在的冗余空间，造成了不必要的信道资源浪费；每一个输入端口后需要连接包含放大器、数模转化器在内的射频链路，在大规模MIMO应用中射频链路数目的增多将会导致系统的体积与复杂度随之增加。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络，通过对馈电网络的重新设计，降低输入端口数量至传统网络四分之一，最终实现剖面低、结构紧凑、易于集成的馈电网络。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络，包括2个输入端口、8个输出端口、2个加载移相器的功分器、4个定向耦合器、6个交叉耦合器以及8个相位补偿器，采用加载移相器的功分器结构优化了传统的Butler馈电网络。

其中：

2个功分器均为一分四的功分器，输入端口#01连接功分器一101的输入端，输入端口#02连接功分器二201的输入端，功分器一101的输出端和功分器二201的输出端均分别连接所述4个定向耦合器的输入端；

4个定向耦合器、6个交叉耦合器和8个相位补偿器中，定向耦合器一7的一个输出端口直接与相位补偿器一13相连，另一个输出端口依次通过交叉耦合器一121、交叉耦合器二122和交叉耦合器三123与相位补偿器五17相连；定向耦合器二8的一个输出端口通过交叉耦合器一121与相位补偿器二14相连，另一个输出端口依次通过交叉耦合器四124和交叉耦合器五125与相位补偿器六18相连；定向耦合器三9的一个输出端口依次通过交叉耦合器四124和交叉耦合器二122与相位补偿器三15相连，另一个输出端口通过交叉耦合器六126与相位补偿器七19相连；定向耦合器四10一个输出端口依次通过交叉耦合器六126、交叉耦合器五125和交叉耦合器三123与相位补偿器四16相连，另一个输出端口直接与相位补偿器八20相连；

所述8个相位补偿器的输出端分别连接1个输出端口。

所述功分器一101包括移相器A一1、移相器B一3和移相器B二4，所述功分器二201包括移相器A二2、移相器B三5和移相器B四6，其中：

所述移相器A一1和移相器A二2为45°移相器，移相器B一3、移相器B二4、移相器B三5和移相器B四6为22.5°移相器，由此构成A类馈电网络，使从输入端口#01或输入端口#02输入的信号能够在所述8个输出端口间，分别形成22.5°或-22.5°的梯度相位分布；

或者，所述移相器A一1和移相器A二2为135°移相器，移相器B一3、移相器B二4、移相器B三5和移相器B四6为67.5°移相器，由此构成B类馈电网络，使从输入端口#01或输入端口#02输入的信号能够在所述8个输出端口间，分别形成67.5°或-67.5°的梯度相位分布。

每一类网络各包含2个输入端口与8个输出端口，减少输入端口数量为传统网络的四分之一。

所述输入端口#01连接移相器A一1的输入端、移相器B二4的输入端以及定向耦合器四10的输入端，所述移相器A一1的一个输出端连接定向耦合器二8的输入端，另一个输出端连接移相器B一3的输入端，移相器B一3的输出端连接定向耦合器一7的输入端，移相器B二4的输出端连接定向耦合器三9的输入端；

所述输入端口#02连接移相器A二2的输入端、移相器B三5的输入端以及定向耦合器一7的输入端，所述移相器A二2的一个输出端连接定向耦合器三9的输入端，另一个输出端连接移相器B四6的输入端，移相器B四6的输出端连接定向耦合器四10的输入端，移相器B三5的输出端连接定向耦合器二8的输入端。

所述A类馈电网络和B类馈电网络可组合为具有4个输入端口、16个输出端口的馈电网络，在输出端口处形成四种分别为±22.5°与±67.5°的相位梯度分布。

所述基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络，设置在射频端口与天线阵列的天线端口之间，采用微带电路形式实现，加工在背靠背黏连在一起的上下两层印刷电路板上，可以在介质板上实现与天线单元集成。

各所述功分器中的各移相器以及各所述相位补偿器均分别由不同长度的微带延迟线构成，各所述定向耦合器与各所述交叉耦合器均为芯片结构。

所述各定向耦合器、各相位补偿器以及功分器一101设置在上层印刷电路板上，所述功分器二201设置在下层印刷电路板上，通过连接两层印刷电路板的跳接器11连接至相应的定向耦合器，跳接器11为连通上下层印刷电路板电路的金属柱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(一)采用加载移相器的功分器结构替代部分Butler矩阵结构，简化了馈电网络，减少了定向耦合器与移相器的数量，进而降低了馈电网络的损耗。

(二)提出了可行的馈电网络加工方案，实现了多波束馈电网络与天线单元的简易集成，减小了系统的体积。

(三)采用两类基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络，实现了输出端口间四种不同的相位分布，具有实际应用意义。

附图说明

图1为本发明提供的基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络的拓扑结构示意图。

图2为本发明提供的集成多波束馈电网络的天线阵列实施结构图，其中(a)为正面示意图，(b)为背面示意图。

图3为A类天线阵列实施结构的测试S参数曲线。

图4为A类与B类天线阵列实施结构方向图的仿真与实测结果。

图5为应用A类与B类天线阵列实施结构的系统级天线阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

参见图1，为本发明提供的基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络的拓扑结构示意图。该集成多波束馈电网络，设置在射频端口与天线阵列的天线端口之间，采用微带电路形式实现，网络分为两类，分别为A类馈电网络和B类馈电网络，两类网络的结构相同。

每类馈电网络主要包括2个输入端口、8个输出端口、2个加载移相器的功分器、4个定向耦合器、6个交叉耦合器以及8个相位补偿器。各功分器中的各移相器以及各相位补偿器均分别由不同长度的微带延迟线构成，各定向耦合器与各交叉耦合器均为芯片结构。

其中：

2个功分器均为一分四的功分器，输入端口#01连接功分器一101的输入端，输入端口#02连接功分器二201的输入端，功分器一101的输出端和功分器二201的输出端均分别连接4个定向耦合器的输入端。

4个定向耦合器、6个交叉耦合器和8个相位补偿器中，定向耦合器一7的一个输出端口直接与相位补偿器一13相连，另一个输出端口依次通过交叉耦合器一121、交叉耦合器二122和交叉耦合器三123与相位补偿器五17相连；定向耦合器二8的一个输出端口通过交叉耦合器一121与相位补偿器二14相连，另一个输出端口依次通过交叉耦合器四124和交叉耦合器五125与相位补偿器六18相连；定向耦合器三9的一个输出端口依次通过交叉耦合器四124和交叉耦合器二122与相位补偿器三15相连，另一个输出端口通过交叉耦合器六126与相位补偿器七19相连；定向耦合器四10一个输出端口依次通过交叉耦合器六126、交叉耦合器五125和交叉耦合器三123与相位补偿器四16相连，另一个输出端口直接与相位补偿器八20相连；

相位补偿器一13的输出端连接输出端口#01，相位补偿器二14的输出端连接输出端口#02，相位补偿器三15的输出端连接输出端口#03，相位补偿器四16的输出端连接输出端口#04，相位补偿器五17的输出端连接输出端口#05，相位补偿器六18的输出端连接输出端口#06，相位补偿器七19的输出端连接输出端口#07，相位补偿器八20的输出端连接输出端口#08。

具体地，功分器一101包括移相器A一1、移相器B一3和移相器B二4，功分器二201包括移相器A二2、移相器B三5和移相器B四6。输入端口#01连接移相器A一1的输入端、移相器B二4的输入端以及定向耦合器四10的输入端，移相器A一1的一个输出端连接定向耦合器二8的输入端，另一个输出端连接移相器B一3的输入端，移相器B一3的输出端连接定向耦合器一7的输入端，移相器B二4的输出端连接定向耦合器三9的输入端；输入端口#02连接移相器A二2的输入端、移相器B三5的输入端以及定向耦合器一7的输入端，移相器A二2的一个输出端连接定向耦合器三9的输入端，另一个输出端连接移相器B四6的输入端，移相器B四6的输出端连接定向耦合器四10的输入端，移相器B三5的输出端连接定向耦合器二8的输入端。

当移相器A一1和移相器A二2为45°移相器，移相器B一3、移相器B二4、移相器B三5和移相器B四6为22.5°移相器时，构成A类馈电网络，使从输入端口#01或输入端口#02输入的信号能够在4个定向耦合器的输入端口间、8个相位补偿器的输入端口间以及8个输出端口间，分别形成22.5°或-22.5°的相位分布。

当移相器A一1和移相器A二2为135°移相器，移相器B一3、移相器B二4、移相器B三5和移相器B四6为67.5°移相器时，构成B类馈电网络，使从输入端口#01或输入端口#02输入的信号能够在4个定向耦合器的输入端口间、8个相位补偿器的输入端口间以及8个输出端口间，分别形成67.5°或-67.5°的相位分布。

A类馈电网络和B类馈电网络可组合为具有4个输入端口、16个输出端口的双馈电网络框架，在输出端口处形成四种分别为±22.5°与±67.5°的相位梯度分布。

本发明馈电网络可加工在背靠背黏连在一起的上下两层印刷电路板上，在介质板上实现与天线单元集成，并能够组合形成四个波束实现区域覆盖。其中，各定向耦合器、各相位补偿器以及功分器一101设置在上层印刷电路板上，功分器二201设置在下层印刷电路板上，通过连接两层印刷电路板的跳接器11连接至相应的定向耦合器，跳接器11为连通上下层印刷电路板电路的金属柱。

即，本发明采用了加载了移相器的功分器网络替代了部分传统的8×8Butler矩阵网络，并可将两套功分器网络分别设置在两层背靠背黏连在一起的介质板上(图1中实线部分设置于上层介质板，虚线部分设置于下层介质板)，直接或通过跳接器与定向耦合器组相连接。在定向耦合器组与输出端口间采用交叉耦合器芯片与延迟线构成的相位补偿器，交叉耦合器芯片的使用解决了微带线交叉结构所可能导致的设计复杂与体积增加问题，相位补偿器的使用解决了因定向耦合器芯片与交叉耦合器芯片所引入的相位偏移误差问题。各输入端口及在输出端口间形成的相位分布对应关系如表1和表2所示。

表1A类馈电网络输入输出相位分布对应关系

表2B类馈电网络输入输出相位分布对应关系

表1和表2中，输入端口输入的是2.6GHz的射频信号，A类馈电网络中，当从输入端口#01输入信号时，输出端口#01至#08将会依次输出90°至-67.5°相位梯度的信号；当从输入端口#02输入信号时，输出端口#01至#08将会依次输出-67.5°至90°相位梯度的信号。B类馈电网络中，当从输入端口#01输入信号时，输出端口#01至#08将会依次输出-90°至157.5°相位梯度的信号；当从输入端口#02输入信号时，输出端口#01至#08将会依次输出157.5°至90°相位梯度的信号。

参见图2，为本发明提供的集成多波束馈电网络的天线阵列实施结构图，包含图2(a)实施结构正面示意图和图2(b)实施结构背面示意图。介质板介电常数为2.65，厚度为1mm，微带线宽度为2.6mm。功分器采用的加载移相器的一分四Wilkinson功分器，定向耦合器芯片采用的型号为Anaren Xinger 1P603AS，交叉耦合器芯片采用的型号为AnarenXinger X2BS。两类馈电网络分别与八个相同的偶极子天线单元21相连接，天线单元间距为57mm，即2.6GHz下真空中电磁波的半波长，保证天线单元间的隔离度。分别采用A类和B类馈电网络，从输入端口#01至输入端口#02输入信号，天线阵列间将形成如表1和表2所示的四种不同的梯度相位分布，进而实现四个主波束的方向图指向。

参见图3，由于A类与B类天线阵列实施结构除移相器采用的结构不同之外，其他结构组成较为相似，因此二者具有较为相似的散射特性，这里给出A类天线阵列实施结构的测试S参数曲线。其中S11表示天线阵列在输入端口1处的反射系数，S22表示天线阵列在输入端口2处的反射系数，S21表示输入端口#01与输入端口#02之间的隔离度，从中可以看出，两输入端口的-10dB阻抗带宽均能覆盖2.6GHz附近的频带范围，且在该频带内两输入端口的隔离度为-10dB左右，可以满足工程应用的需求。

参见图4，为A类与B类天线阵列实施结构E面方向图的仿真与实测结果。从中可以看出，对于A类馈电网络，从输入端口#01馈电时，A类天线阵列方向图的主波束方向为+7°；从输入端口#02馈电时，A类天线阵列方向图的主波束方向为-7°。对于B类馈电网络，从输入端口#01馈电时，B类天线阵列方向图的主波束方向为+21°；从输入端口#02馈电时，B类天线阵列方向图的主波束方向为-21°。上述四个波束可在60°的角度范围内实现-3dB的波束覆盖，符合实际应用场景中基站与用户间的通信角度范围。

参见图5，为应用A类与B类馈电网络天线结构的系统级天线阵列示意图。天线阵列设置在支撑架23上，可分为8个天线子阵列，其中4个为A类馈电网络天线子阵列24，4个为B类馈电网络天线子阵列25，天线子阵列之间间隔57mm，即2.6GHz下真空中电磁波的半波长，保证各子阵列间的隔离度。在各天线单元后方设置一金属平板22，增强天线阵列辐射方向图的前后比。天线阵列共包含16个输入端口与64个天线单元，其中4个输入端口对应+7°的主波束，4个输入端口对应-7°的主波束，4个输入端口对应+21°的主波束，4个输入端口对应-21°的主波束。

综上所述，本发明提供了一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络。本发明根据实际的应用场景，对传统8×8Butler矩阵网络结构进行了优化设计，采用跳接器与交叉耦合器结构，减少了定向耦合器及移相器的数量，使得馈电网络易于与天线集成。馈电网络包含2个输入端口与8个输出端口，减少了不包含通信链路波束所对应的非必要输入端口数量，进而减少了系统中输入端口后端的射频组件数量，降低了系统设计复杂度。基于两类馈电网络的设计，本发明提供了一种四波束天线架构方案，包含4个输入端口与16个输出端口，可通过±7°与±21°四波束实现区域覆盖。本发明所提出的馈电网络采用印刷电路板制作方式，易于加工与集成，具有良好的应用前景。