基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其包括4个半波长均匀阻抗谐振器、2个输入端馈线头、2个输出端馈线头、4根端口馈线。每个谐振器与另外两个谐振器之间有电耦合或磁耦合，通过电耦合和磁耦合路径的组合实现相移特性。本实用新型使用均匀阻抗谐振器单元来代替3dB耦合器，结构简单，而且实现了带通滤波特性；通过电耦合和磁耦合的路径组合来产生相移，不仅省掉了移相器的使用，也保证了较好的隔离度，电路尺寸大大减小。由于巴特勒矩阵为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以巴特勒矩阵具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。
【专利说明】
基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵
技术领域
[0001]本实用新型涉及微带线形式巴特勒矩阵的技术领域，特别涉及一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵。
【背景技术】
[0002]由于近年来无线通信的高速发展，无论是3G技术的普及、物联网的火热还是4G的到来，都标志着无线技术又将迎来一个蓬勃发展的高峰期。另一方面，随着电子信息的迅猛发展，人们对于通信质量的要求越来越高，多径衰落和信道间的干扰等问题也愈发显得重要。目前解决这些问题的主要技术是利用波束切换智能天线，而巴特勒矩阵作为组成波束切换智能天线的重要部分，能够实现波束形成网络，因此也成为了近些年的研究热点之一。同时，在实际应用中，为了抑制传输信号的寄生频率和放大器的互调干扰，通常还需要级联一个带通滤波器，这将会造成电路尺寸的加大。如果能够将巴特勒矩阵和带通滤波特性集成在一个结构中，必定能大大减小电路的尺寸，这也符合设备小型化的趋势。
[0003]目前巴特勒矩阵比较常用也比较方便的结构是在输入端口和输出端口之间交叉级联3dB耦合器和特定角度的移相器，使巴特勒矩阵的性能能达到预期的指标。
[0004]2013年，0.M.Haraz 等人在"IEEE Internat1nal Conference on Ul tra-Wideband〃上发表题为〃Two-Layer Butterfly-Shaped Microstrip 4X4Butler Matrixfor Ultra-Wideband Beam-Forming Applicat1ns〃，米用双层微带线结构，实现了親合器和移相器的交叉互联，形成一个4X4的巴特勒矩阵。该结构如附图1所示。
[0005]2013年，Tong-Hong Lin等人在"IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES"上发表题为"Bandwidth Enhancement of 4 X 4ButIerMatrixUsingBroadband Forward-ffave Direct1nalCoupler and Phase Difference Compensat1n"，采用双层板结构，分别利用前向波直接耦合和相位差异补偿技术实现耦合器和移相器，形成一个4 X 4的巴特勒矩阵。该结构如附图2所示。
[0006]2015年，M.J.Lancaster等人在"IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES"上发表题为"Advanced Butler Matrices with Integrated BandpassFilter Funct1ns"，采用腔体谐振器来实现带通滤波特性，利用腔体谐振器之间的耦合实现相移，形成一个2X2带滤波特性的巴特勒矩阵。该结构如附图3所示。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，该巴特勒矩阵采用的是在输入端口和输出端口之间级联谐振器单元的结构，并且通过谐振器单元间的电耦合和磁耦合的组合，来实现输出信号相位差为0°或180°，从而省略了移相器结构，减小了电路的尺寸，同时级联的谐振器单元能够实现良好的带通滤波特性。
[0008]本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
[0009]一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，以印刷电路板的方式制作在介质基板I上，
[0010]所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的第一输入端馈线头Pl和第二输入端馈线头P2、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P3和第二输出端馈线头P4、与所述第一输入端馈线头Pl相连的第一端口馈线2、与所述第二输入端馈线头P2相连的第二端口馈线5、与所述第一输出端馈线头P3相连的第三端口馈线3、与所述第二输出端馈线头P4相连的第四端口馈线4、两组分别左右平行设置的第一谐振器9与第四谐振器8以及第三谐振器6与第二谐振器7;
[0011]所述第一谐振器9与所述第四谐振器8以及所述第三谐振器6与所述第二谐振器7上下平行设置;所述第一端口馈线2和所述第四端口馈线4分别位于所述所述第一谐振器9和所述第四谐振器8的外侧，并且所述第一端口馈线2和所述第二端口馈线4左右平行设置;所述第三端口馈线3和所述第二端口馈线5分别位于所述第三谐振器6和所述第二谐振器7的外侧，并且所述第三端口馈线3和所述第二端口馈线5左右平行设置。
[0012]进一步地，所述第一谐振器9、所述第四谐振器8、所述第二谐振器7、所述第三谐振器6均为半波长均匀阻抗谐振器。
[0013]进一步地，所述第一谐振器9与所述第三谐振器6为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器9的开口方向为右下方，所述第三谐振器6的开口方向为右上方。
[0014]进一步地，所述第四谐振器8与所述第二谐振器7为上下对称设置的U型谐振器，其中，所述第四谐振器8的开口方向为上方，所述第二谐振器7的开口方向为下方。
[0015]进一步地，所述第一谐振器9与所述第三谐振器6、所述第一谐振器9与所述第四谐振器8、所述第三谐振器6与所述第二谐振器7之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙10、第二耦合间隙11、第三耦合间隙12的大小控制电耦合的大小。
[0016]进一步地，所述第二谐振器7与所述第四谐振器8之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第四耦合间隙13的大小控制磁耦合的大小。
[0017]进一步地，所述第一输入端馈线头Pl输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相等。
[0018]进一步地，所述第二输入端馈线头P2输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相差180°。
[0019]进一步地，所述第一输入端馈线头Pl与所述第一端口馈线2的一端垂直连接，所述第二输入端馈线头P2与所述第二端口馈线5的一端垂直连接，所述第一输出端馈线头P3与所述第三端口馈线3的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P4与所述第四端口馈线4的一端垂直连接。
[0020]本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0021]1、使用均匀阻抗谐振器单元来代替3dB耦合器，结构简单，而且实现了带通滤波特性。
[0022]2、通过电耦合和磁耦合的路径组合来产生相移，不仅省掉了移相器的使用，也保证了较好的隔离度，电路尺寸大大减小。
[0023]3、由于巴特勒矩阵为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以巴特勒矩阵具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。
【附图说明】
[0024]图1是现有技术I中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
[0025]图2是现有技术2中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
[0026]图3是现有技术3中公开的一种巴特勒矩阵的结构示意图；
[0027]图4是本实用新型提出的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵的结构示意图；
[0028]图5是本实用新型提出的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵的结构尺寸示意图；
[0029]图6(a)是从Pl端口输入信号时巴特勒矩阵的散射参数仿真结果图；
[0030]图6(b)是从P2端口输入信号时巴特勒矩阵的散射参数仿真结果图；
[0031]图7是本实用新型提出的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵的P3端口和P4端口的输出信号相位差示意图；
[0032]图8是本实用新型提出的输出信号相位差的仿真结果与理想的输出信号相位差的误差示意图。
【具体实施方式】
[0033]为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0034]实施例
[0035]本实施例公开一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵如图1所示，该微带线巴特勒矩阵以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板I上，微带板的另外一面是覆铜接地板。在本实用新型中的巴特勒矩阵的结构图中。
[0036]所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的第一输入端馈线头Pl和第二输入端馈线头P2、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P3和第二输出端馈线头P4、与所述第一输入端馈线头Pl相连的第一端口馈线2、与所述第二输入端馈线头P2相连的第二端口馈线5、与所述第一输出端馈线头P3相连的第三端口馈线3、与所述第二输出端馈线头P4相连的第四端口馈线4、两组分别左右平行设置的第一谐振器9与第四谐振器8以及第三谐振器6与第二谐振器7;
[0037]所述第一谐振器9与所述第四谐振器8以及所述第三谐振器6与所述第二谐振器7上下平行设置;所述第一端口馈线2和所述第四端口馈线4分别位于所述第一谐振器9和所述第四谐振器8的外侧，并且所述第一端口馈线2和所述第二端口馈线4左右平行设置;所述第三端口馈线3和所述第二端口馈线5分别位于所述第三谐振器6和所述第二谐振器7的外侧，并且所述第三端口馈线3和所述第二端口馈线5左右平行设置。
[0038]其中，所述第一谐振器9、所述第四谐振器8、所述第二谐振器7、所述第三谐振器6均为半波长均匀阻抗谐振器。
[0039]其中，所述第一谐振器9与所述第三谐振器6为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器9的开口方向为右下方，所述第三谐振器6的开口方向为右上方。
[0040]同时，所述第四谐振器8与所述第二谐振器7为上下对称设置的U型谐振器，其中，所述第四谐振器8的开口方向为上方，所述第二谐振器7的开口方向为下方。
[0041]带通滤波器的外部品质因素可以通过改变馈线的长度和馈线和谐振器间的耦合调节。所述第一谐振器9与所述第三谐振器6、所述第一谐振器9与所述第四谐振器8、所述第三谐振器6与所述第二谐振器7之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙10、第二耦合间隙11、第三耦合间隙12的大小控制电耦合的大小。
[0042]所述第二谐振器7与所述第四谐振器8之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第四耦合间隙13的大小控制磁耦合的大小。
[0043]所述第一输入端馈线头Pl输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相等。
[0044]所述第二输入端馈线头P2输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相差180°。
[0045]所述第一输入端馈线头Pl与所述第一端口馈线2的一端垂直连接，所述第二输入端馈线头P2与所述第二端口馈线5的一端垂直连接，所述第一输出端馈线头P3与所述第三端口馈线3的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P4与所述第四端口馈线4的一端垂直连接。
[0046]从第一输入端馈线头Pl端口输入的信号，通过第一端口馈线2耦合到第一谐振器9，然后通过第一谐振器9与第四谐振器8之间的电耦合耦合到第四谐振器8，并使信号产生90°的相位超前，接着第四谐振器8的信号通过第四端口馈线4耦合到第二输出端馈线头P4，因此第二输出端馈线头P4能接收到相位超前90°的信号；同时，第一谐振器9中的信号，也会通过第一谐振器9与第三谐振器6之间的电耦合耦合到第三谐振器6，并使信号产生90°的相位超前，接着第三谐振器6的信号通过第三端口馈线3耦合到第一输出端馈线头P3，因此第一输出端馈线头P3能接收到相位超前90°的信号;所以第一输出端馈线头P3和第二输出端馈线头P4的端口会得到相位都超前90°的信号，但是它们的相位还是相等的。同时第四谐振器8与第三谐振器6中信号分别通过第四谐振器8与第二谐振器7之间的磁耦合与第三谐振器6与第二谐振器7之间的电耦合耦合到第二谐振器7，并分别产生90°的相位滞后和90°的相位超前，则在第二谐振器7中有两个大小相等，相位差为180°的信号，相互抵消，因此第二输入端馈线头P2端口输出信号很小，因此两个输入端口之间具有较高的隔离度。
[0047]从第二输入端馈线头P2端口输入的信号，通过第二端口馈线5耦合到第二谐振器7，然后通过第二谐振器7与第四谐振器8之间的磁耦合耦合到第四谐振器8，并使信号产生90°的相位滞后，接着第四谐振器8的信号通过第四端口馈线4耦合到第二输出端馈线头P4，因此第二输出端馈线头P4能接收到相位滞后90°的信号；同时，第二谐振器7中的信号，也会通过第二谐振器7与第三谐振器6之间的电耦合耦合到第三谐振器6，并使信号产生90°的相位超前，接着第三谐振器6的信号通过第三端口馈线3耦合到第一输出端馈线头P3，因此第一输出端馈线头P3能接收到相位超前90°的信号;所以第一输出端馈线头P3和第二输出端馈线头P4的端口会分别得到相位滞后90°和相位超前90°的信号，故它们的相位相差180°。同时第四谐振器8与第三谐振器6中信号分别通过第四谐振器8与第一谐振器9之间的电耦合以及第三谐振器6与第一谐振器9之间的电耦合耦合到第一谐振器9，并都产生90°的相位超前，因此第一谐振器9中有两个大小相等，相位差为180°，相互抵消，因此第一输入端馈线头Pl端口输出信号很小，具有较高的隔离度。这个四个端口均为50欧姆的匹配阻抗。
[0048]图5是本实用新型提出的巴特勒矩阵结构尺寸示意图。该结构图是对称的。
[0049]使用三维仿真软件ZELANDIE3D对巴特勒矩阵进行仿真，本实用新型设计的巴特勒矩阵使用的微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.8，滤波器的主要结构参数为:Li = 12.85mm, L2 = 17.20mm, L3 = 5.00mm, L4= 11.1Omm,Ls = I 1.57mm, L6 = 5.63mm, L7 =8.30mm，L8= 13.95mm，Wi = 0.7mm,ff2 = 1mm,ff3 = 1mm,Si = 0.20mm,S2 = 0.89mm,S3 = 1.83mm,S4=1.58mm,Ss = 0.35mm0
[0050]图6(a)和图6(b)分别显示从Pl端口和P2端口输入信号时巴特勒矩阵的散射参数仿真结果，其带通滤波特性的中心频率分别为2.4Ghz，横轴表示本实用新型中巴特勒矩阵的信号频率，纵轴表不幅度，包括插入损耗(531、341、332、342)的幅度、回波损耗(311，522)的幅度以及隔呙度(S21，Si2)的幅度，其中Sn，322分别表不口01"1:1与口01^2的回波损耗，331表不口01'1:1和口01^3的插入损耗，341表示口01'1:1和口01^4的插入损耗，332表示口01^2和口01^3的插入损耗，S42表不port2和port4的插入损耗。插入损耗表不一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为:输出功率/输入功率(dB) = 20*log I S21
。回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系，其相应的数学函数如下:反射功率/入射功率==20*1<^|311|。
[0051 ] 在2.4Ghz的通带中，回波损耗Sn和S22的绝对值大于17dB，插入损耗S31、S41、S32和S42的绝对值均小于4dB。从1.8至3Ghz的频率范围看，巴特勒矩阵的隔离度S12和S21的绝对值大于36dB。
[0052]图7显示了巴特勒矩阵的P3端口和P4端口的输出信号相位差，横轴表示本实用新型中巴特勒矩阵的信号频率，纵轴表示角度。在带通滤波器的通带内，当信号从Pl端口输入时，可以在P3端口和P4端口接收到相位基本相等的两个信号；当信号从P2端口输入时，可以在P3端口和P4端口接收到相位差约为180°的两个信号。图8显示了输出信号相位差的仿真结果与理想的输出信号相位差的误差。如附图8所示，在带通滤波器的通带内，输出信号的相位差的误差小于5°。
[0053]综上所述，本实施例提出的一种具有带通滤波特性的巴特勒矩阵的设计方案，利用组合四个二分之一波长的均匀阻抗谐振器结构，并且每个谐振器与其它两个谐振器之间存在电耦合或磁耦合，通过耦合路径的组合使输出信号产生0°或180°的相位差。具有设计灵活，体积小，成本低，隔离度高，滤波特性好，输出信号相位差误差小的特点。
[0054]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，以印刷电路板的方式制作在介质基板(I)上，其特征在于: 所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的第一输入端馈线头Pl和第二输入端馈线头P2、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P3和第二输出端馈线头P4、与所述第一输入端馈线头Pl相连的第一端口馈线(2)、与所述第二输入端馈线头P2相连的第二端口馈线(5)、与所述第一输出端馈线头P3相连的第三端口馈线(3)、与所述第二输出端馈线头P4相连的第四端口馈线(4)、两组分别左右平行设置的第一谐振器(9)与第四谐振器(8)以及第三谐振器(6)与第二谐振器(7); 所述第一谐振器(9)与所述第四谐振器(8)以及所述第三谐振器(6)与所述第二谐振器(7)上下平行设置;所述第一端口馈线(2)和所述第四端口馈线(4)分别位于所述第一谐振器(9)和所述第四谐振器(8)的外侧，并且所述第一端口馈线(2)和所述第二端口馈线(4)左右平行设置;所述第三端口馈线(3)和所述第二端口馈线(5)分别位于所述第三谐振器(6)和所述第二谐振器(7)的外侧，并且所述第三端口馈线(3)和所述第二端口馈线(5)左右平行设置。2.根据权利要求1所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一谐振器(9)、所述第四谐振器(8)、所述第二谐振器(7)、所述第三谐振器(6)均为半波长均匀阻抗谐振器。3.根据权利要求2所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一谐振器(9)与所述第三谐振器(6)为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器(9)的开口方向为右下方，所述第三谐振器(6)的开口方向为右上方。4.根据权利要求2所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第四谐振器(8)与所述第二谐振器(7)为上下对称设置的U型谐振器，其中，所述第四谐振器(8)的开口方向为上方，所述第二谐振器(7)的开口方向为下方。5.根据权利要求1至4任一所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一谐振器(9)与所述第三谐振器(6)、所述第一谐振器(9)与所述第四谐振器(8)、所述第三谐振器(6)与所述第二谐振器(7)之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙(10)、第二耦合间隙(11)、第三耦合间隙(12)的大小控制电耦合的大小。6.根据权利要求1至4任一所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第二谐振器(7)与所述第四谐振器(8)之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第四耦合间隙(13)的大小控制磁耦合的大小。7.根据权利要求1至4任一所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第一输入端馈线头Pl输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相等。8.根据权利要求1至4任一所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于，所述第二输入端馈线头P2输入电磁波信号时，所述第一输出端馈线头P3和所述第二输出端馈线头P4输出的信号相位相差180°。9.根据权利要求1所述的基于均匀阻抗谐振器的具有带通滤波特性的微带线巴特勒矩阵，其特征在于， 所述第一输入端馈线头Pl与所述第一端口馈线(2)的一端垂直连接，所述第二输入端馈线头P2与所述第二端口馈线(5)的一端垂直连接，所述第一输出端馈线头P3与所述第三端口馈线(3)的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P4与所述第四端口馈线(4)的一端垂直连接。
【文档编号】H01Q3/40GK205723953SQ201620524837
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】陈付昌, 邵强
【申请人】华南理工大学