[发明专利]Butler矩阵的实现方法

说明书

技术领域

[1]本发明涉及Butler矩阵波束形成网络，更具体地涉及一种4×4Butler矩阵的改进结构。

背景技术

[2]在无线通讯系统中，扇形天线逐渐由相控阵或者波束形成天线所取代。这样的天线包括固定天线单元阵列，其由天线单元和波束端口之间的波束形成网络连接。天线的波束图形由波束形成网络的相位和幅值关系决定。天线单元和波束端口之间的信号的相位和幅值关系可以经过调整以生成成形的波束图形。于是举例来说，通过简单地在不同的寸隙调整天线信号的相位和幅值，单个天线阵列就会生成天线能量的中央、左和右波束。

[3]相位和幅值调整通常受波束形成网络的影响，所述波束形成网络接收传送来的信号，并且以相干的方式将这些信号分布到每个天线单元，同时给各个单元施加预设的相位和幅值变化以生成各个单元之间的期望相位和幅值关系。为了接收操作，来自于每个单元的信号在被合成之前要进行相位和幅值加权。

[4]但是，为了允许单个天线阵列生成不同的波束，阵列需要连接到对应于每个波束的波束形成网络。结果，单个天线单元可以连接到多个波束形成网络以生成多波束。

[5]在简单地将天线单元连接到其各自的波束形成网络的过程中将会产生显著的合成损耗。单凭一般的经验来说，当两个波束形成网络连接到一个天线单元阵列时将会产生大约3dB的功率损耗。

[6]Butler矩阵是一个众所周知的结构，其中，多个波束可以同步生成并且连接到天线单元阵列，同时使合成损耗最小。当单元端口和天线单元阵列相连接的时候，通过使用90°混合单元对信号的分解和合成进行布置，Butler矩阵在波束端口生成同步的多波束。例如，可以使用4×4Butler矩阵在具有四个天线单元的四个波束端口处生成4个正交的波束。同步生成多波束而具有最小损耗的性能很具有吸引力，因此，Butler矩阵波束形成网络已被证明很具有广泛性。

[7]图1表示了现有技术中众所周知的带有波束形成网络的4×4Butler矩阵的实现方式的方框图。通常，m×mButler矩阵使用m个天线单元将生成m个波束。

[8]示例性的Butler矩阵包括：指定为B1 150、B2 155、B3 160和B4165的四个波束端口；分别指定为E1 100、E2 105、E3 110和E4 115的四个单元端口；分别指定为H1 120、H2 125、H3 140和H4 145的四个90°混合单元；以及分别指定为PS1 130和PS2 135的两个45°移相器。

[9]仅仅为了解释的目的，示例性Butler矩阵的工作原理将仅联系发送工作原理进行解释。但是无论如何，考虑到互易原理，Butler矩阵的功能和接收工作原理的方式相似。

[10]每个波束端口150、155、160和165接受RF信号，所述RF信号将沿着相关联的正交波束由每个天线单元发送。

[11]每个单元端口100、105、110和115连接到对应的天线单元上，并且将其所接收的RF信号传送给其对应的天线单元以用于发送。

[12]每个混合单元120、125、140和145，也称为混合耦合器或者正交耦合器，其接收两个输入，并且生成两个输出，每个输出是其输入端信号的合成。

[13]混合单元是具有两个输入端口和两个输出端口的四端口设备。来自于两个输出端口的输出信号彼此相移90°，并且因为混合单元的等功率分解，所以幅值上降低3dB。在该功率分解过程中没有能量损耗。

[14]现有技术中已有的合适混合单元包括兰格(Lange)耦合器、支线(branchline)耦合器，重叠(overlay)耦合器、边缘(edge)耦合器和短槽(short-slot)混合耦合器以及其它四端口耦合器。在图示的传统耦合器中，当输入信号施加到90°混合耦合器的左侧时，右侧的输出相对于左侧的输出相位上延迟90°，同时幅值相等但是比输入幅值低3dB。类似地，当输入信号施加到90°混合耦合器的右侧，左侧的输出相对于右侧的输出在相位上延迟90°，同时幅值相等但是比输入幅值低3dB。

[15]每个移相器130、135接收单个输入，并且生成相位延迟45°的单个输出。