巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置

摘要

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置。该巴特勒矩阵结构包括多个输入端、多个输出端、多个耦合器、多个交叉电路及多个微带耦合线。该多个输入端和该多个输出端之间通过该多个耦合器、该多个交叉电路及该多个微带耦合线组成的网络相连接，每一该耦合器由两个口型结构的微带线连接而成，每一该交叉电路由两个该耦合器连接而成。每一微带耦合线包括微带线本体及开路曲折支线，通过调整微带线本体的线宽、线长和线距及开路曲折支线的线宽、线长可以调节巴特勒矩阵中信号的的带宽和相位差。本案中的巴特勒矩阵结构具有带宽宽、信号隔离度高及相位差精度高的特点。

权利要求

1.一种巴特勒矩阵结构，包括多个输入端口、多个输出端口、多个耦合器及多个交叉电路，其特征在于，该巴特勒矩阵结构还包括多个微带耦合线，每一微带耦合线包括微带线本体及与该微带线本体相连接的开路曲折支线，该多个输入端口和该多个输出端口之间通过该多个耦合器、该多个交叉电路及该多个微带耦合线组成的网络相连接，每一该耦合器由两个口型结构的微带线连接而成，每一该交叉电路由两个该耦合器连接而成，其中，该多个微带耦合线包括第一微带耦合线及第二微带耦合线，该多个输入端口形成两个输入组，该两个输入组中的一输入组中的两个输入端口与一耦合器的两个信号输入端相连接且该耦合器的信号输出端分别与第一输出端和第二输出端相连接，该两个输入组中的另一输入组中的两个输入端口与另一耦合器的信号输入端相连且该耦合器的信号输出端分别与第三输出端和第四输出端相连接，该第一输出端通过弯曲微带线与该第一微带耦合线的一端连接，该第四输出端通过弯曲微带线与该第二微带耦合线的一端相连接，该第二输出端和该第三输出端分别通过弯曲微带线与该交叉电路的两个信号输入端相连接，该交叉电路、第一微带耦合线及第二微带耦合线构成一相位差补偿电路，该相位差 补偿电路用于对从该第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端输入的信号进行相位补偿以使从该第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端输入的信号的相位差为0。

2.如权利要求1所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，每一耦合器采用两个口型结构连接而成，口型结构包括一耦合臂、两个传输枝节及一连接枝节，该两个口型结构通过该两个口型结构中的一口型结构的耦合臂对接而成，每一传输枝节包括第一端及与该第一端相对的第二端，该耦合臂的两端分别垂直连接该两个传输枝节的第一端，该连接枝节的两端分别垂直连接该两个传输枝节的第二端。

3.如权利要求2所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，该两个口型结构中一口型结构的每一传输枝节的第二端作为该耦合器的信号输入端，该两个口型结构中另一口型结构的每一传输枝节的第二端作为该耦合器的信号输出端。

4.如权利要求2所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，每一口型结构采用1/4波长传输线结构。

5.如权利要求3所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，该两个耦合器中的一耦合器的两个信号输出端分别通过微带线与另一耦合器的信号输入端连接，从而形成该交叉电路，其中，该两个耦合器中的一耦合器的两个信号输入端作为该交叉电路的信号输入端，该两个耦合器中的另一耦合器的两个信号输出端作为该交叉电路的信号输出端。

6.如权利要求1所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，该微带耦合线及该微带线组成一宽带移相器。

7.如权利要求6所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，每该微带线本体的线宽、线长和线距及该开路曲折支线的线宽、线长用于调节该巴特勒矩阵结构中信号的带宽和相位差。

8.如权利要求1所述的巴特勒矩阵结构，其特征在于，该输入端口的数量为4；该输出端口的数量为4；该耦合器的数量为4；该交叉电路的数量为2；该微带耦合线的数量为6。

9.一种带有如权利要求1-8任一所述的巴特勒矩阵结构的电子装置，其特征在于，该电子装置还包括天线阵列及电路板，该巴特勒矩阵结构设置在该电路板上并与该天线阵列相连接。

10.如权利要求9所述的电子装置，其特征在于，该电路板为双层板，该巴特勒矩阵结构蚀刻在该电路板的上层。

说明书

巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置

技术领域

[0001] 本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种巴特勒矩阵结构及带有该巴特勒矩阵结构的电子装置。

背景技术

[0002] 在微波通信领域，巴特勒矩阵常用来进行波束成型。然而，现有的巴特勒矩阵中的耦合器多为单节窄带结构，其对信号的隔离度较低，且巴特勒矩阵中的交叉电路无相移补偿且隔离度也较低。巴特勒矩阵中的移相器带宽也较窄，相位差精度低。

发明内容

[0003] 鉴于以上内容，有必要提供一种巴特勒矩阵结构及带有巴特勒矩阵结构的电子装置以解决巴特勒矩阵带宽窄、信号隔离度低及相位差精度低的问题。

[0004] 一种巴特勒矩阵结构，包括多个输入端、多个输出端、多个耦合器、多个交叉电路及多个微带耦合线，每一微带耦合线包括微带线本体及与该微带线本体相连接的开路曲折支线，该多个输入端和该多个输出端之间通过该多个耦合器、该多个交叉电路及该多个微带耦合线组成的网络相连接，每一该耦合器由两个口型结构的微带线连而成，每一该交叉电路由两个该耦合器连接而成。

[0005] 优选地，每一耦合器采用两个口型结构连接而成，口型结构包括一耦合臂、两个传输枝节及一连接枝节，该两个口型结构通过该两个口型结构中的一口型结构的耦合臂对接而成，每一传输枝节包括第一端及与该第一端相对的第二端，该耦合臂的两端分别垂直连接该两个传输枝节的第一端，该连接枝节的两端分别垂直连接该两个传输枝节的第二端。

[0006] 优选地，该两个口型结构中一口型结构的每一传输枝节的第二端作为该耦合器的信号输入端，该两个口型结构中另一口型结构的每一传输枝节的第二端作为该耦合器的信号输出端。

[0007] 优选地，每一口型结构采用1/4波长传输线结构。

[0008] 优选地，两个耦合器结合并行的微带耦合线和实现一相位差补偿电路，该两个耦合器中的一耦合器的两个信号输出端分别通过微带线与另一耦合器的信号输入端连接，从而形成该交叉电路，其中，该两个耦合器中的一耦合器的两个信号输入端作为该交叉电路的信号输入端，该两个耦合器中的另一耦合器的两个信号输出端作为该交叉电路的信号输出端。

[0009] 优选地，该微带耦合线及微带线组成一宽带移相器。

[0010] 优选地，每该微带线本体的线宽、线长和线距及该开路曲折支线的线宽、线长用于调节该巴特勒矩阵结构中信号的带宽和相位差。

[0011] 优选地，该输入端的数量为4；该输出端的数量为4；该耦合器的数量为4；该交叉电路的数量为2；该微带耦合线的数量为6。

[0012] 一种带有所述巴特勒矩阵结构的电子装置，该电子装置还包括天线阵列及电路板，该巴特勒矩阵结构设置在该电路板上并与该天线阵列相连接。

[0013] 优选的，该电路板为双层板，该巴特勒矩阵结构蚀刻在该电路板的上层。

[0014] 本案中巴特勒矩阵的多个输入端和多个输出端之间通过多个耦合器、多个交叉电路及多个微带耦合线组成的网络相连接，其中，每一该耦合器由两个口型结构的微带线连而成，每一该交叉电路由两级该耦合器连接而成，如此，本案中的巴特勒矩阵结构具有带宽宽、信号隔离度高及相位差精度高的特点。

附图说明

[0015] 图1为本发明一实施方式中电子装置的功能模块图。

[0016] 图2为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构的功能模块图。

[0017] 图3为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构的示意图。

[0018] 图4为本发明一实施方式中微带耦合线的示意图。

[0019] 图5为本发明一实施方式中耦合器的示意图。

[0020] 图6为本发明一实施方式中交叉电路的示意图。

[0021] 图7为本发明一实施方式中相位补偿电路的示意图。

[0022] 图8为本发明一实施方式中移相器的示意图。

[0023] 图9为本发明另一实施方式中相位补偿电路的示意图。

[0024] 图10为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构的相邻输出端信号隔离度的仿真示意图。

[0025] 图11为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构的相位测试图。

[0026] 主要元件符号说明

[0027]

[0028]

[0029]

[0030] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

[0031] 请参考图1，所示为本发明一实施方式中电子装置1的功能模块图。该电子装置1包括巴特勒矩阵结构2、天线阵列3及电路板4。该巴特勒矩阵结构2设置在该电路板4上并与该天线阵列3相连接。该巴特勒矩阵结构2用于实现多波束成型。该电子装置1通过该天线阵列单元3发射或接收该巴特勒矩阵结构2产生的多波束。本实施方式中，该电路板4为双层板，该巴特勒矩阵结构2蚀刻在该电路板4的上层。本实施方式中将巴特勒矩阵结构2蚀刻在电路板4的上层可避免在将巴特勒矩阵结构2设置在电路板4的多层时而对电路板4进行穿层而产生的插入损耗上升的问题。在其他实施方式中，该电路板4为多层板，该巴特勒矩阵结构2蚀刻在该电路板4的至少两层上。

[0032] 请参考图2，所示为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构2的功能模块图。本实施方式中，该巴特勒矩阵结构2包括多个输入端21、多个输出端22、多个耦合器23、多个交叉电路24及多个微带耦合线25。该多个输入端21和该多个输出端22之间通过该多个耦合器23、该多个交叉电路24和该多个微带耦合线25组成的网络5相连接。每一输出端22与该天线阵列3相连接。本实施方式中，该输入端21、该输出端22、该耦合器23及该交叉电路24之间通过微带线连接。

[0033] 请参考图3，所示为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构2的结构示意图。该多个输入端21包括四个输入端口211、212、213和214。该多个输出端22包括四个输出端口221、222、223和224。该输入端口211、212、213和214与该输出端口221、222、223和224对称地位于该巴特勒矩阵结构2的两侧。该四个输入端口211、212、213和214与该四个输出端口221、
222、223和224之间分别连接有四个耦合器231、232、233和234、两个交叉电路241和242及六个微带耦合线251、252、253、254、255和256。具体的，该四个输入端口211、212、213和214两两一组，形成两个输入组。该四个输出端口211、212、213和214形成一输出组。信号可从两个输入组的四个输入端口211、212、213和214中任一端口输入，并分别从输出组的四个输出端口211、212、213和214输出。一输入组与一耦合器231相连接并生成第一输出端S1和第二输出端S2。另一输入组与耦合器232相连接并生成第三输出端S3和第四输出端S4。该第一输出端S1与微带耦合线251连接后生成第五输出端S5。该第四输出端S4与该微带耦合线252相连接后生成第六输出端S6。该第二输出端S2和第三输出端S3与一交叉电路241相连接并生成第七输出端S7及第八输出端S8。该第七输出端S7与该微带耦合线253相连接后生成第九输出端S9。该第八输出端S8与该微带耦合线254相连接后生成第十输出端S10。该第五输出端S5与一微带线28连接后生成第十一输出端S11。该第六输出端S6与另一微带线28’连接后生成第十二输出端S12。本实施方式中，该微带线28、28’弯折而形成多个折线。该第十一输出端S11与该第九输出端S9分别与耦合器233相连接后生成第十三输出端S13及第十四输出端S14。该第十输出端S10与该第十二输出端S12分别与耦合器234相连接后生成第十五输出端S15和第十六输出端S16。该第十四输出端S1410和该第十五输出端S15与交叉电路242相连接后生成第十七输出端S17及第十八输出端S18。该第十三输出端S13与微带耦合线255连接后生成第十九输出端S19。该第十六输出端S16与微带耦合线256连接后生成第二十输出端S20。该第十九输出端S19与输出端口221相连接。该第十七输出端S17与输出端口222连接。
该第十八输出端S18与输出端口223相连接。该第二输出端S20与输出端口224相连接。

[0034] 请参考图4，所示为本发明一实施方式中微带耦合线25的结构示意图。本实施方式中，每一微带耦合线25包括微带线本体261及与该微带线本体261相连接的开路曲折支线262。该微带线本体261的两端分别形成该微带耦合线25的信号输入端及信号输出端。该开路曲折支线262连接在位于该微带线本体261两端的中间部位。本实施方式中，通过调整微带线本体261的线宽、线长和线距及开路曲折支线262的线宽、线长可以调节巴特勒矩阵1中信号的的带宽和相位差。

[0035] 请参考图5，所示为本发明一实施方式中耦合器23的示意图。每一耦合器23采用两个口型结构2300、2300’连接而成。本实施方式中，该口型结构2300包括一耦合臂2301、两个传输枝节2302及一连接枝节2303。该两个口型结构2300通过该两个口型结构2300中一口型结构的耦合臂2301对接而成。每一传输枝节2302包括第一端23021及与该第一端23021相对的第二端23022；该耦合臂2301的两端分别垂直连接两个传输枝节2302的第一端23021；该连接枝节2303的两端分别垂直连接两个传输枝节2302的第二端23022，从而组成口型结构2300。另一口型结构2300’除了包括耦合臂2301之外，还包括两个传输枝节2302’及一连接枝节2303’。该每一传输枝节2302’包括第一端23021’及与该第一端23021’相对的第二端
23022’；该耦合臂2301的两端分别垂直连接两个传输枝节2302’的第一端23021’；该连接枝节2303’的两端分别垂直连接两个传输枝节2302’的第二端23022’。本实施方式中，该口型结构2300的每一传输枝节2302的第二端23022作为该耦合器23的信号输入端，另一口型结构2300’的每一传输枝节2302’的第二端23022’作为该耦合器23的信号输出端。本实施方式中，采用两个口型结构2300、2300’连接而成的耦合器23具有将信号进行分离及移相的作用。在一实施方式中，该耦合器23将从耦合器23的一信号输入端输入的信号进行分离且进行90度的移相并将分离后的信号从该耦合器23的两个信号输出端输出。

[0036] 本实施方式中，该耦合器23的口型结构2300、2300’采用1/4波长传输线结构。即，该口型结构2300的耦合臂2301、两个传输枝节2302、连接枝节2303的总长度及另一型结构2300’的耦合臂2301、两个传输枝节2302’及一连接枝节2303’的总长度为该巴特勒矩阵结构2的工作频段的中心频率所对应的波长的1/4。本实施方式中，通过调节该耦合器23的耦合臂2301、两个传输枝节2302、连接枝节2303的总长度可以调节该巴特勒矩阵结构2的工作频段的中心频率。

[0037] 请参考图6，所示为本发明一实施方式中交叉电路24的示意图。该交叉电路24由两个耦合器23、23’连接而成。本实施方式中，耦合器23的两个信号输出端分别通过微带线与另一耦合器23’的信号输入端连接，从而形成该交叉电路24。其中，耦合器23的两个信号输入端作为该交叉电路24的信号输入端，另一耦合器23’的两个信号输出端作为该交叉电路24的信号输出端。在本实施方式中，该交叉电路24将从交叉电路24的一信号输入端输入的信号进行分离并将分离后的信号从该交叉电路24的一对应的信号输出端输出。

[0038] 请参考图3，一输入组中的输入端口211、212与一耦合器231的两个信号输入端相连接，且该耦合器231的信号输出端分别与第一输出端S1和第二输出端S2相连接。另一输入组的输入端口213、214与耦合器232的信号输入端相连，且该耦合器232的信号输出端分别与第三输出端S3和第四输出端S4相连接。本实施方式中，该巴特勒矩阵结构2还包括8个弯曲微带线27。每一弯曲微带线27相位长一样且为50欧姆微带线。请参考图7，所示为本发明一实施方式中相位补偿电路31的示意图。本实施方式中，该微带耦合线251、交叉电路241及微带耦合线252构成该相位补偿电路31。该第一输出端S1通过一弯曲微带线27与微带耦合线251的一端连接。该微带耦合线251的另一端与第五输出端S5相连接。该第四输出端S4通过一弯曲微带线27与该微带耦合线252的一端相连接。该微带耦合线252的另一端与该第六输出端S6相连接。该第二输出端S2和第三输出端S3分别通过一弯曲微带线27与交叉电路241的信号输入端相连接，且该交叉电路241的信号输出端分别与该第七输出端S7及第八输出端S8连接。本实施方式中，该相位补偿电路31用于对从第一输出端S1、第二输出端S2、第三输出端S3及第四输出端S4输入的信号进行相位补偿以使当从第一输出端S1、第二输出端S2、第三输出端S3及第四输出端S4输入的信号的相位差为0，并将经过相位补偿后相位差为
0的信号对应从第五输出端S5、S8、S7、S6输出。

[0039] 请参考图8，所示为本发明一实施方式中移相器32、32’的示意图。移相器32包括微带线28及微带耦合线253。该微带线28的一端与该第五输出端S5相连接，另一端与该第十一输出端S11相连接。该第七输出端S7与该微带耦合线253的一端相连接。该微带耦合线253的另一端与第九输出端S9相连接。该移相器32用于对从第五输出端S5、第七输出端S7输入的信号进行宽带45°差分移相。移相器32’包括微带线28’及微带耦合线254。该第八输出端S8与该微带耦合线254的一端相连接。该微带耦合线254的另一端与该第十输出端S10相连接。该微带线28’的一端与该第六输出端S6相连接，另一端与该第十二输出端S12相连接。该移相器32’用于对从第六输出端16、第八输出端S8输入的信号进行宽带45°差分移相。

[0040] 该第十一输出端S11与该第九输出端S9分别与耦合器233的信号输入端相连接，且耦合器233的信号输出端分别与第十三输出端S13及第十四输出端S14。该第十输出端S10与该十二输出端S12分别与耦合器224的信号输入端相连接，且耦合器234的信号输出端与第十五输出端S15和第十六输出端S16相连接。请参考图9，所示为本发明一实施方式中相位补偿电路31’的示意图。该相位补偿电路31’包括微带耦合线255、交叉电路242、微带耦合线256。该微带耦合线255的一端与该第十三输出端S13连接，另一端与该第十九输出端S19连接。该第十四输出端S14和该第十五输出端S15分别通过一弯曲微带线27与交叉电路242的信号输入端相连接，且该交叉电路242的信号输出端分别与第十七输出端S17及第十八输出端S18连接。该第十六输出端S16通过一弯曲微带线27与微带耦合线256的一端连接，该微带耦合线256的另一端与该第二十输出端S20连接。该第十九输出端S19与输出端口221连接。
该第十七输出端口S17与输出端口222相连接。该第十八输出端S18与该输出端口223相连接。该第二十输出端S20与输出端口224连接。

[0041] 本发明实施方式中的巴特勒矩阵结构2，所使用的耦合器23采用了两个口型结构2300、2300’连接而成，所使用的交叉电路24采用两个耦合器23连接而成。由于耦合器23所使用结构为1/4波长传输线结构，为了实现巴特勒矩阵结构2带宽宽、信号隔离度高及相位差精度高的功能，要首先将口型结构2300、2300’与1/4波长传输线结构等效求出确定口型结构2300、2300’的传输矩阵等效，从而确定口型结构2300、2300’中各枝节的尺寸。

[0042] 请参考图10，所示为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构相邻输出端信号隔离度的仿真示意图，利用ADS仿真软件对图3提供的的巴特勒矩阵结构2进行了在3.000-4.000GHz频段工作时的计算仿真，并测试了巴特勒矩阵结构2在相邻的输出端口221、222、
223和224的隔离度仿真。如图7所示，在3.192-3.625GHz频段工作时，该巴特勒矩阵结构2的四个输出端口221、222、223和224中两相邻的输出端口的隔离度大于30dB。由此可见，在工作频段3.192-3.625GHz，巴特勒矩阵结构2的四个输出端口221、222、223和224的隔离度较高。

[0043] 请参考图11，所示为本发明一实施方式中巴特勒矩阵结构的相位测试图，利用了ADS软件对图3提供的巴特勒矩阵结构进行在3.0GHz、3.5GHz和3.7383GHz频段工作时的计算仿真，并测试了勒特矩阵结构2在相邻的输出端口221、222、223和224之间的相位差的仿真。如图8所示，巴特勒矩阵结构2的四个输出端口221、222、223和224中相邻输出端口在3GHz、3.5GHz和3.7383GHz频段工作时的相位差均在45°±5°。由此可见，在工作频段3.0-
3.625GHz，巴特勒矩阵结构2在相邻输出端口之间的相位差精度较高。

[0044] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。