[发明专利]一种基于Butler矩阵的集成多波束馈电网络

说明书

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。

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；