一种高容差性小型化输入Butler矩阵

摘要

本发明公开了一种高容差性小型化输入Butler矩阵，所述输入Butler矩阵为上下和左右对称结构，包括位于水平方向的四个输入3dB电桥，位于垂直方向的四个输出3dB电桥、和四个中间3dB电桥；每个3dB电桥包括两个直通臂和耦合臂；每个直通臂的两端分别连接一个第一终端开路线，每个直通臂和耦合臂的中间连接一个第二终端开路线；输入3dB电桥通过外部互连微带线与中间3dB电桥相连，中间3dB电桥通过内部互连微带线与输出3dB电桥；所述外部互连微带线的长度为工作频段的三倍四分之一波长，所述内部互连微带线的长度为工作频段的四分之一波长。本发明输出幅相一致性良好、工艺实现一致性好、可靠性高。

权利要求

1.一种高容差性小型化输入Butler矩阵，所述输入Butler矩阵为上下和左右对称结构，包括八个输入端、八个输出端、位于水平方向的四个输入3dB电桥、位于垂直方向的四个输出3dB电桥和四个中间3dB电桥；其特征在于，每个3dB电桥包括四个端口、两个直通臂、两个耦合臂、四个第一终端开路线和四个第二终端开路线；每个直通臂与其相连的耦合臂互相垂直；每个直通臂的两端分别连接一个第一终端开路线，每个直通臂的中间连接一个第二终端开路线，每个耦合臂的中间连接一个第二终端开路线；第二终端开路线朝向

3dB电桥中心的端为等腰梯形；

每个输入3dB电桥与其附近的两个输入端通过输入微带线相连，并分别通过外部互连微带线与两个中间3dB电桥相连；每个中间3dB电桥分别通过外部互连微带线与两个输入

3dB电桥相连，并分别通过内部互连微带线与两个输出3dB电桥相连；每个输出3dB电桥分别通过内部互连微带线与两个中间3dB电桥相连，并与其附近的两个输出端通过输出微带线相连；

所述外部互连微带线的长度为工作频段的四分之三波长，所述内部互连微带线的长度为工作频段的四分之一波长；

四个输入3dB电桥的第一直通臂位于第一水平线；四个输入3dB电桥的第二直通臂位于第二水平线；四个输出3dB电桥的第一直通臂位于第一竖直线；四个输出3dB电桥的第二直通臂位于第二竖直线；

第一输入端、第五输入端、第七输入端、第三输入端依次位于第三水平线上，该第三水平线位于第一水平线的上方；第二输入端、第六输入端、第八输入端、第四输入端依次位于第四水平线上，该第四水平线位于第二水平线的下方；

第一中间3dB电桥、第二中间3dB电桥的直通臂平行于第三水平线，并且位于第三水平线的上方；第三中间3dB电桥、第四中间3dB电桥的直通臂平行于第四水平线，并且位于第四水平线的下方；

第一输出端、第二输出端、第六输出端、第五输出端依次位于第三竖直线上，该第三竖直线位于第一竖直线的左边；第三输出端、第四输出端、第八输出端和第七输出端依次位于第四竖直线上，该第四竖直线位于第二竖直线的右边。

2.根据权利要求1所述的一种高容差性小型化输入Butler矩阵，其特征在于，每个输入端或输出端通过射频连接器输入或者输出信号；射频连接器采用与基板垂直的方式与输入微带线或者输出微带线互联。

3.根据权利要求1所述的一种高容差性小型化输入Butler矩阵，其特征在于，每个输入端或者输出端设计成同轴转微带过渡。

说明书

一种高容差性小型化输入Butler矩阵

技术领域

[0001] 本发明涉及微波天线领域。

背景技术

[0002] 随着移动通信和导航技术的快速发展，多波束天线在卫星通信系统中正在扮演着越来越重要的角色。而目前国内外移动通信卫星上使用的基本上都是无源多波束天线，它的馈源是由若干组多通道功率放大器（MPA）提供。这项功率分配合成技术应用在星载功率放大通道设计时主要分成三个部分，分别是输入Butler矩阵、功率模块和输出Butler矩阵。

[0003] Jesse Butler和Ralph Lowe于1961年首次提出了Butler矩阵，其作为功率分配/合成器件，和普通常用树状功率分配/合成器不同的是，Butler矩阵同时具备多个输入和输出端口，相关端口间满足一定的相位关系。输入Butler矩阵目前一般是基于平面微带电路工艺来实现，并采用传统3dB支线耦合器为单元电路，其主要缺点一是在L、S频段3dB支线耦合器尺寸很大，由其组成的矩阵尺寸和重量更大，不满足现代电子系统小型化、轻量化的要求，二是受到加工、装配等因素的影响，特别是当矩阵规模较大时，很难做到较高指标，不满足系统中对其要求的高输出幅相一致性、高隔离度的要求。

[0004] 对于输入Butler矩阵在国内只见有4×4规模的输入Butler矩阵（如图1所示）相关报道，未见8×8规模的平面微带电路结构的输入Butler矩阵的小型化解决方案。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种结构新颖、工艺实现一致性好、可靠性高、输出幅相一致性好、高容差性小型化输入Butler矩阵。

[0006] 本发明的技术方案是：

[0007] 一种高容差性小型化输入Butler矩阵，所述输入Butler矩阵为上下和左右对称结构，包括八个输入端、八个输出端、位于水平方向的四个输入3dB电桥，位于垂直方向的四个输出3dB电桥、和四个中间3dB电桥；每个3dB电桥包括四个端口、两个直通臂、两个耦合臂、四个第一终端开路线和四个第二终端开路线；每个直通臂与其相连的耦合臂互相垂直；每个直通臂的两端分别连接一个第一终端开路线，每个直通臂的中间连接一个第二终端开路线，每个耦合臂的中间连接一个第二终端开路线；

[0008] 每个输入3dB电桥与其附近的两个输入端通过输入微带线相连，并分别通过外部互连微带线与两个中间3dB电桥相连；每个中间3dB电桥分别通过外部互连微带线与两个输入3db电桥相连，并分别通过内部互连微带线与两个输出3dB电桥相连；每个输出3dB电桥分别通过内部互连微带线与两个中间3dB电桥相连，并与其附近的两个输出端通过输出微带线相连；

[0009] 所述外部互连微带线的长度为工作频段的三倍四分之一波长，所述内部互连微带线的长度为工作频段的四分之一波长。

[0010] 四个输入3dB电桥的第一直通臂位于第一水平线；四个输入3dB电桥的第二直通臂位于第二水平线；四个输出3dB电桥的第一直通臂位于第一竖直线；四个输出3dB电桥的第二直通臂位于第二竖直线；

[0011] 第一输入端、第五输入端、第七输入端、第三输入端依次位于第三水平线上，该第三水平线位于第一水平线的上方；第二输入端、第六输入端、第八输入端、第四输入端依次位于第四水平线上，该第四水平线位于第二水平线的下方；

[0012] 第一中间3dB电桥、第二中间3dB电桥的直通臂平行于第三水平线，并且位于第三水平线的上方；第三中间3dB电桥、第四中间3dB电桥的直通臂平行于第四水平线，并且位于第四水平线的下方；

[0013] 第一输出端、第二输出端、第六输出端、第五输出端依次位于第三竖直线上，该第三竖直线位于第一竖直线的左边；第三输出端、第四输出端、第八输出端和第七输出端依次位于第四竖直线上，该第四竖直线位于第二竖直线的右边。

[0014] 每个输入端或输出端通过射频连接器输入或者输出信号；射频连接器采用与基板垂直的方式与输入微带线或者输出微带线互联。

[0015] 每个输入端或者输出端设计成同轴转微带过渡。

[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0017] （1）本发明的3dB电桥（3dB支线耦合器）并未采用传统的3dB支线耦合器，而是将传统的四分之一波长的传输线等效为传输线两端接终端开路线和中间加接终端开路线的方式。通过仿真及实测证明，在不影响其他指标的情况下，其拓扑结构对加工和装配误差的容忍能力相比传统的3dB支线耦合器有大幅提高。同时面积仅为相同频段3dB支线耦合器面积的30%。采用该3dB电桥组成的Butler矩阵比同频段采用传统3dB支线耦合器组成的Butler矩阵尺寸缩小50%以上。通过合理选择3dB电桥互连微带线的电长度（工作频段四分之一波长的奇数倍），在保持较高幅相一致性的同时，不影响矩阵的隔离度要求。通过以上措施，可以达到小型化输入Butler矩阵的目的。

[0018] （2）本发明在采用小型化3dB电桥的基础上，通过采用一种新颖的拓扑结构进一步缩小体积；另外所采用的拓扑结构可以避免微带线的交叉。

附图说明

[0019] 图1是现有的输入Butler矩阵示意图；

[0020] 图2是本发明的输入Butler矩阵示意图；

[0021] 图3是本发明的3dB电桥的示意图；

[0022] 图4是本发明采用的射频连接器垂直互联工艺示意图。

具体实施方式

[0023] 本发明的输入Butler矩阵不受限于具体的工作频率，例如可以是L、S、C频段的输入Butler矩阵。下面结合附图对应用本发明思路的一个S频段8×8输入Buter矩阵的技术方案进行详细说明。

[0024] 如图2所示，本发明的输入Butler矩阵为上下和左右对称结构，包括八个输入端、八个输出端、位于水平方向的四个输入3dB电桥11-14，位于垂直方向的四个输出3dB电桥21-24，和四个中间3dB电桥31-34。每个输入3dB电桥与其附近的两个输入端通过输入微带线相连，并分别通过外部互连微带线41与两个中间3dB电桥相连；每个中间3dB电桥分别通过外部互连微带线41与两个输入3db电桥相连，并分别通过内部互连微带线42与两个输出3dB电桥相连；每个输出3dB电桥分别通过内部互连微带线42与两个中间3dB电桥相连，并与其附近的两个输出端通过输出微带线相连。

[0025] 如图3所示，每个3dB电桥包括四个端口P1-P4，两个直通臂4、两个耦合臂3，四个第一终端开路线111-114，和四个第二终端开路线221-224；每个直通臂4与其相连的耦合臂3互相垂直；每个直通臂的两端分别连接一个第一终端开路线，每个直通臂的中间连接一个第二终端开路线，每个耦合臂的中间连接一个第二终端开路线。3dB电桥的设计结果一般要达到直通臂(图3中4处所示)和耦合臂(图3中3处所示)输出幅度一致性≤±0.05dB，相位一致性≤±0.5度，各端口驻波≤1.2，端口隔离度≥30dB。通过实际的仿真和测试得到，对于8×8规模的Butler矩阵，为了达到较小的版图尺寸，外部的互连微带线41取工作频段的三倍四分之一波长，内部的互连微带线42直接取工作频段的四分之一波长。

[0026] 另外，输入Butler矩阵的拓扑结构是非常重要的，合理的拓扑结构能消除微带线的交叉，同时应该尽量使版图对称以得到最佳的幅度与相位一致性要求。如图2所示，四个输入3dB电桥11-14的第一直通臂位于第一水平线；四个输入3dB电桥11-14的第二直通臂位于第二水平线；四个输出3dB电桥21-24的第一直通臂位于第一竖直线；四个输出3dB电桥21-24的第二直通臂位于第二竖直线。

[0027] 第一输入端、第五输入端、第七输入端、第三输入端依次位于第三水平线上，该第三水平线位于第一水平线的上方；第二输入端、第六输入端、第八输入端、第四输入端依次位于第四水平线上，该第四水平线位于第二水平线的下方。

[0028] 第一中间3dB电桥31、第二中间3dB电桥32的直通臂平行于第三水平线，并且位于第三水平线的上方；第三中间3dB电桥33、第四中间3dB电桥34的直通臂平行于第四水平线，并且位于第四水平线的下方。

[0029] 第一输出端、第二输出端、第六输出端、第五输出端依次位于第三竖直线上，该第三竖直线位于第一竖直线的左边；第三输出端、第四输出端、第八输出端和第七输出端依次位于第四竖直线上，该第四竖直线位于第二竖直线的右边。

[0030] 所述输入/输出端通过射频连接器输入或者输出信号；如图4所示，射频连接器的连接方式是有别于以往的水平安装方式，是采用垂直互连的工艺方式来实现，这样设计的优点是位于版图内部的输入/输出端口不用延伸至版图边缘来与射频连接器进行互连，优化了电路设计，缩小了版图面积。射频连接器的探针c，穿过介质基板后，采用金带b，采用压焊工艺焊接在邻近的输入/输出微带线上。同时为了优化各个端口的驻波特性，在输入/输出端应处理成同轴转微带过渡，即以探针孔5（如图2所示）为中心的圆周处等间隔分布多个孔。

[0031] 对本发明的输入Butler矩阵进行测试，测试结果为：插入损耗为1.2dB，幅度一致性≤±0.2dB，相位一致性≤3°，输入输出隔离度≥28dB，重量仅为0.45kg。可以看出，该指标远远好于未应用本设计思路的平面微带电路设计的Butler矩阵，应用本发明设计思路的Butler矩阵在体积重量方面大幅减小，同时消除了加工和装配等因素对产品性能的影响，产品的一致性也相应得到较大提高。

[0032] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。