Четырёхлучевая матрица Батлера диапазона 4-8 ГГц на основе направленного ответвителя с щелевой связью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ю. Б. Нечаев,

доктор физикоматематических наук, профессор, концерн «Созвездие»

Е. С. Макаров,

кандидат физикоматематических наук, концерн «Созвездие»

Н. Н. Щетинин,

Международн ый институт компьютерных технологий

ЧЕТЫРЁХЛУЧЕВАЯ МАТРИЦА БАТЛЕРА ДИАПАЗОНА 4—8 ГГЦ НА ОСНОВЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ С ЩЕЛЕВОЙ СВЯЗЬЮ

4x4 BUTLER MATRIX BASED ON MICROSTRIP SLOT-COUPLED HYBRID FOR FREQUENCY RANGE 4—8 GHZ

Представлена четырёхлучевая матрица Батлера для октавного диапазона частот 4—8 ГГц, построенная на базе широкополосного направленного ответвителя с щелевой связью. Для перехода между слоями использован щелевой микрополосковый переход. В такой конфигурации матрица Батлера не требует использования кроссоверов, что делает структуру компактной. Разработанная конструкция четырехлучевой матрицы Батлера имеет высокие электрические характеристики, которые могут быть обеспечены при серийном производстве.

Four-beam microstrip Butler matrix for frequency range 4—8 GHz is presented. Wideband slot-coupled hybrids are used in order to achieve octave operation. Deployment of slot transitions between PCB layers let to avoid usage of bulky crossovers what makes Butler matrix compact and broadband. Developed construction has high electrical characteristics and easy-to-produce.

Матрицы Батлера широко используются в антенной технике в качестве диаграммообразующих устройств, обеспечивающих формирование лучей многолучевых антенных решеток [1]. В настоящее время высокими темпами развиваются системы беспроводной связи, которые применяются в области всё более высоких частот. Поскольку матрицы Батлера являются важным элементом многолучевых антенных решёток, их конструктивное совершенствование и улучшение электрических параметров является актуальной задачей.

Матрица Батлера содержит N = 2m входов (m — целое число), столько же выходов и питает антенную решетку, содержащую N излучателей, формируя N ортогональных лучей.

В данной статье разработан направленный ответвитель (НО) с щелевой связью на основе подхода, предложенного в работе [2]. Использование НО с щелевой связью предполагает широкополосность, высокие электрические характеристики, компактные размеры.

Топология НО оптимизировалась для работы в октавном диапазоне частот 4—8 ГГц.

На рис.1 изображена блок-схема матрицы Батлера, состоящая из 3 дБ НО с щелевой связью, двухпортовых микрополосковых переходов (МП) с щелевой связью, фазовращателей (ФВ) и двух кроссоверов. Каждый из этих элементов вносит свои погрешности, как амплитудные, так и фазовые [2—3].

1 ----------

2

НО Чч'',г\фв НО

7*""! г

Нижний слой

-----6

4 ---- --------^ -45 ° V

Рис.1. Блок-схема матрицы Батлера 4х4

Направленный ответвитель является восьмиполюсным устройством, осуществляющим направленное ответвление энергии [4].

На рис. 2 показана предложенная топология НО с апертурой связи прямоугольной формы. При моделировании использовалась подложка ЯТ/ОигОё 5880 с параметрами £г = 2,2, к = 0,254 мм, тангенс угла потерь 0,0009. Оптимизированные значения параметров ответвителя следующие: '1 — ширина щели (3,7 мм), Ь — длина щели (8,7 мм), Ь1 — длина полоски (10 мм), ' — ширина полоски (3,1 мм), Р1—Р4 — порты.

----------, .Р3

w1

ерхний слой

ижний слой

Рис.2. Топология НО с щелевой связью Поивелем на оис. 3 оезультаты численного молелиоования.

і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і

т

7.0

8.0

частота, ГТц

частота, ГТц

5

3

7

Рис.3. Характеристики НО

Как видно из рис. 3, коэффициент отражения 8(1,1) и развязка 8(1,2) между входными портами (Р1,Р2) составляет не менее -23дБ, переходное ослабление 8(1,3), 8(1,4) фиксировано во всём частотном диапазоне. Разница фаз между Р4 и Р3 составляет 270 ± 0,5°.

Переходы с щелевой связью предназначены для обеспечения совместимости и гибкости между линиями, расположенными в различных слоях. Данные переходы обладают широкой пропускной способностью, низкими потерями на излучение и являются компактными [5—6].

На рис.4 изображен микрополосковый переход с электромагнитной связью через

щель.

Рис.4. Микрополосковый переход с щелевой связью

Оптимизированные значения параметров следующие: '1 — ширина щели (5,2 мм), Ь — длина щели (10 мм), ' — ширина полоски (4,5 мм).

Результаты численного моделирования приведены на рис.5.

Видно, что коэффициент отражения 8(1,1) варьируется от -20 дБ и не превышает -1 6дБ.

5(1,1)

\

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1 1 1 1 ■ III

4 0 45 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

частота, ГТ ц

Рис.5. Коэффициент отражения 8(1,1) микрополоскового перехода На рис.6 изображена топология микрополосковых проводников матрицы Батлера.

Рис. 6. Конфигурация полосковых проводников четырехлучевой матрицы Батлера

Рассмотрим результаты моделирования. На рис.7 изображены коэффициент отражения 8(1,1) и развязка между входными портами 8(2,1), 8(3,1), 8(4,1).

Рис. 7. Моделирование 8-параметров для коэффициента отражения

и развязки входа 1

Значения коэффициента отражения 8(1,1) не превышает -18дБ, развязка между входами не хуже -19 дБ.

На рис.8 изображены амплитудные характеристики при возбуждении входа 2.

-15

-20-4

З

еа‘ р І

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

частота, ГТц

Рис. 8. Моделирование 8-параметров для коэффициента отражения и развязки входа 2 Значения амплитудных характеристик идентичны.

На рис. 9 изображены переходные ослабления 8(1,5), 8(1,6), 8(1,7), 8(1,8) 8(2,5),

8(2,6), 8(2,7), 8(2,8).

3(2,8))...........

3(2,7)) «-.-чч-*

3(2,6)) -----------

3(2,5))............

3(1,8))------------

3(1,7)) )( X X X X

3(1,6)) -----------

3(1,5)) ...........

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

частота, ГГц

Рис. 9. Моделирование 8-параметров переходного ослабления

Переходные ослабления на выходах А1—А4 составляют от -5,1 дБ до -7,1 дБ, они суммируются вследствие прохождения СВЧ сигнала через фазовращатель, кроссовер, МП и НО.

На рис. 10 изображены графики распределения амплитуд и фаз на выходах диаграммообразующей схемы (ДОС).

При подаче сигнала на входы получаем следующие распределения фаз, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Фазовые распределения на выходах ДОС

Вход Фаза ( ф )

т1 ф(£(6.1)) - ф(£(5.1) = -450 ф(£(7.1)) - ф(£(5.1) = -90° ф(£(8.1)) - ф(£ (5.1) = -135°

т2 ф(£(5.2)) - ф( £ (6.2) = -135° ф(£ (7.2)) - ф(£ (6.2) = -225° ф(£(8.2)) - ф(£(6.2) = -90°

т3 ф(£(5.3)) - ф(£(7.3) = -90° ф(£ (6.3)) - ф(£ (7.3) = -225° ф(£(8.3)) - ф(£(7.3) = -135

т4 ф(£(5.4)) - ф( £ (8.4) = -135° ф(£(6.4)) -ф(£(8.4) = -90° ф(£ (7.4)) - ф(£(8.4) = -45°

Из табл. 2 видно, что модель четырёхлучевой матрицы Батлера обеспечивает разбаланс амплитуд выходных сигналов менее 1,7 дБ, фазовую погрешность около 13° в заданном диапазоне частот 4—8 ГГц. Вносимые потери всей матрицы порядка 1,1 дБ, изоляция не хуже -20 дБ.

в) г)

Рис. 10. Амплитудно-фазовое распределение: а — при подаче сигнала на вход 1; б —при подаче сигнала на вход 2; в — при подаче сигнала на вход 3; г — при подаче сигнала на вход 4

Таблица 2

Параметры модели четырехлучевой матрицы Батлера диапазона 4—8 ГГц

Диапазон частот, ГГц Число входов/ выходов Вносимые потери, дБ Ампли- тудный разба- ланс, ± дБ Фазовый разба- ланс, ± град Развязка, дБ

4,0—8,0 4/4 1,1 1,7 13 -20

Модель четырёхлучевой матрицы Батлера для октавного диапазона частот 4— 8 ГГц имеет высокие электрические характеристики, которые могут быть обеспечены при серийном производстве.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на расширение полосы рабочих частот матриц Батлера и продвижение в высокочастотную область сантиметрового диапазона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Butler J., Lowe R. Beam forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas / Electronic Design.— 1961.— V. 9.—P. 170—173.

2. Denidni T.A., Djaiz A., Habib A.M. A new ultra-wideband beamforming for wireless communications in underground mines // Progress In Electromagnetics Research M.— Vol. 4, 1—21, 2008.

3. Антенны, СВЧ- устройства и их технологии: учеб. пособие / Ю.Б. Нечаев, В. И. Николаев, Р.Н. Андреев, Н.Н Винокурова ; под общ. ред. Ю.Б. Нечаева, В. И. Николаева. — Воронеж: ОАО Концерн «Созвездие», 2007.— 629 с.

4. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: пер. с англ. / В. Фуско. — М.: Радио и связь, 1990. — 288 с.

5. Tanaka T., Tsunoda K., Aikawa M. Slot-coupled directional couplers between double-sided substrate microstrip lines and their applications // IEEE Trans. Microwave Theory Tech.— Vol. 36, 1752—1757, Dec. 1988.

6. Theodorou A., Uzunoglu N. Transition properties of avertical conductor connecting two microstrip lines at different planes // IEEE Trans. Microw. Theory Tech.— Vol. 43, No. 5, 1162—1172, May 1995.

7. Chen C., Tsai M., Alexopoulos G. Optimization of aperture transitions for multiport microstrip circuits // IEEE Trans. Microw. Theory Tech— Vol. 44.—No. 12, 2457— 2465, Dec. 1996.