CC BY
517
УДК 621.372.85
МАТРИЧНЫЕ СХЕМЫ БАТЛЕРА СВЧ-ДИАПАЗОНА
Н.Н. Щетинин, Р.Н. Андреев, М.Ю. Чепелев, В.А. Мельник
В работе проведен обобщенный анализ современного состояния четырехлучевых матричных схем Батлера. Получено множество новых, очень интересных результатов, которые в ряде случаев кардинально улучшают характеристики диаграммообразующих типа матрица Батлера
Ключевые слова: матрица Батлера, направленный ответвитель
Многолучевая антенная решетка (МАР) в состав которой входят антенные элементы и диаграммобразующая схема (ДОС) предназначена для формирования веера независимых лучей. ДОС распределяет сигнал на излучающие элементы в соответствие с заданным амплитудно-фазовым распределением. Матрица Батлера (МБ) является частным случаем фазового сканирования [1-3]. Использование МБ в качестве ДОС позволяет избежать использования дорогостоящих, громоздких, вносящих дополнительное затухание с несколькими состояниями фазовращателей, которые к тому же обычно работают в узком диапазоне частот. Альтернативой использования МБ являются матрицы Бласса [4] и матрица Нолена [5]. МБ отличается от матрицы Бласса отсутствием поглощающих элементов, практически идеальными равноамплитудными и линейными фазовыми распределениями возбуждения, гораздо меньшим
числом НО (всего N/2>ё2 N вместо N2 в
матрице Бласса). В работе [6] определены ограничения по полосе пропускания матрицы Нолена и её компонентов.
В последние годы МБ нашли свое ускоренное развитие в работах [7-21].
1. Широкополосные матричные схемы Батлера
В статье [7] представлена широкополосная четырехлучевая матрица Батлера, основанная на многослойном 3 дБ микрополосковом НО. Топология и фотография макета МБ представлены на рис. 1.
Экспериментальный макет изготовлен на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью ег = 2,2 и толщиной к = 0,254 мм.
Топология направленного ответвителя рассчитана с помощью программного комплекса IE3D.
Щетинин Никита Николаевич - ВИ ФСИН России, преподаватель, e-mail: vifsin@mail.ru, тел. (473) 260-68-21 Андреев Роман Николаевич - ВИ ФСИН России, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vifsin@mail.ru, тел. (473) 260-68-21
Чепелев Михаил Юрьевич - ВИ ФСИН России, канд. техн. наук, e-mail: vifsin@mail.ru, тел. (473) 260-68-21 Мельник Вячеслав Александрович - ВИ ФСИН России, преподаватель, e-mail: vifsin@mail.ru, тел. (473) 260-68-21
б)
Рис.
1. Топология матрицы Батлера а), и фотография макета б)
На рис. 2 представлены частотные характеристики МБ в полосе частот 3 - 9 ГГц.
а)
б)
Рис. 2. Результаты эксперимента для: а) — при подаче сигнала на вх. 1, б) — при подаче сигнала на вх.2
Четырёхлучевая МБ, рис. 1 б, в диапазоне частот 3 - 9 ГГц характеризуется максимальным разбалансом амплитуды, рис. 2, и фазы, рис. 3, по уровням, не превышающим в 6 дБ и 26°, соответственно.
Частота. ГГц б)
Рис. 3. Результаты эксперимента для: а) — при подаче сигнала на вх. 1, б) — при подаче сигнала на вх.2
Видно, что разность фаз выходных сигналов от теоретических номинальных значений в 45°, рис 3 а, и -135°, рис 3 б, отлично. Фазовые ошибки составляют от 19° до 26° в заданной полосе частот, это обусловлено узкой полосой пропускания микрополоскового перехода.
В рабочей полосе частот достигнуто согласование входов и развязка по уровню, не превышающему минус 15 дБ в рабочем диапазоне частот.
Вместе с тем, как видим, на приведенных графиках, к сожалению, в указанной выше широкой полосе частот не сохраняется общий 6 дБ уровень выходной мощности в плечах устройства относительно входного сигнала, поскольку он монотонно убывает при отклонении частоты от центрального значения.
В работе [8] была изложена методика построения восьмилучевых матриц Батлера для L-и S-диапазонов и приведены результаты экспериментальных исследований матриц, разработанных для октавных диапазонов частот
1...2 ГГц и 2...4 ГГц. Предложенная блочная конструкция позволила создать восьмилучевую матрицу Батлера с высокими электрическими
параметрами, поэтому было решено её использовать и для диапазона частот 4.8 ГГц [9].
Для построения четырехлучевой матрицы Батлера разработан трехсекционный 90-градусный гибрид на полосковых линиях с лицевой связью. Крайние подложки имели диэлектрическую проницаемость 2.4 и толщину 1.5 мм. Средняя подложка, на обеих сторонах которой расположены полосковые проводники, имела ту же проницаемость и толщину 0.13 мм. На рис. 4 изображена топология полосковых проводников четырехлучевой матрицы Батлера для диапазона частот
4...8 ГТц имеющей габариты корпуса 73x73x14 мм. Схема содержит четыре симметричных трехсекционных 3 дБ гибрида, имеющих разницу фаз выходных сигналов 90°, и два 45-градусных фазосдвигателя.
Рис. 4. Конфигурация полосковых проводников четырехлучевой матрицы Батлера для диапазона частот 4-8 ГГц
Выступы на внешних краях связанных линий улучшают согласование выходов направленных ответвителей и изоляцию между выходами [10]. Восьмилучевая матрица Батлера собрана из двух четырехлучевых матриц, топология полосковых проводников которых изображена на рис. 5.
Г ибриды подключены к выходам четырехлучевых матриц, расположенным на противоположных краях корпуса. Четырехлучевые матрицы Батлера расположены в центре конструкции параллельно друг другу, а корпуса гибридов расположены перпендикулярно корпусам МБ, как это видно на фотографии изготовленной восьмилучевой матрицы Батлера, рис. 5,6. Габариты блочной конструкции восьмилучевой МБ 164x73x44 мм.
а)
б)
Рис. 5. Блок-схема восьмилучевой МБ а), и фотография макета б)
Экспериментальные частотные характеристики изготовленной восьмилучевой матрицы Батлера приведены на рис. 7-8, , а на рис. 6 дана нумерация входов и выходов матрицы.
Рис. 6. Нумерация входов и выходов восьмилучевой матрицы Батлера
На рис. 7 изображены экспериментальные амплитудные и фазовые характеристики матрицы при возбуждении входа 12, который формирует луч, минимально отклоненный от нормали к поверхности антенной решетки.
\ - V.;:/
|81.12| •гжЗ
152,121 |53,12|
|8б,12| 1
187.121 158,121
Частота,
а)
ГГц
Частота, ГГц б)
Рис. 7. Экспериментальные зависимости амплитуд а), и разностей фаз б) на выходах восьмилучевой матрицы Батлера при возбуждении входа 16
Разбаланс амплитуд на выходах в данном случае не превышает 1.5 дБ, а величина фазовых ошибок менее 10°. Оценка вносимых потерь дает величину менее 1 дБ. Измеренные значения коэффициентов отражения на входах матрицы (рис. 8, б) не превышают -14 дБ, что соответствует значениям КСВН менее 1.5, а изоляция между входами (рис. 8, а) не хуже -18 дБ.
Частота,
а)
:1й -Щ лШІЬ ЧжгіШ Шт УуІх в ш тШ та 11 #
—»пі у!
Т V І&22І |&33| г’
і 1555| ікеї Ї
|588|
Частота, ГГц б)
Рис. 8. Экспериментальные частотные зависимости характеристик: развязка а), и коэффициенты отражения б)
Изготовленный образец восьмилучевой МБ обеспечивает разбаланс амплитуд выходных сигналов менее 2.5 дБ и фазовую погрешность менее 15° в заданном диапазоне частот 4.8 ГГц. Вносимые потери всей матрицы менее 1.5 дБ. Все входы и выходы изготовленной матрицы имеют КСВН менее 1.7 и изоляцию не хуже -18 дБ.
Компактная, широкополосная, с малыми потерями четырёхлучевая матрица Батлера представлена в многослойной ассиметричной
технологии [11,12], на основе которой формируются НО, рис. 9.
Рис. 9. Линии с ассиметричной связью в сечении
Для построения четырехлучевой матрицы Батлера разработан квадратурный направленный ответвитель на микрополосковых линиях рис. 10.
Рис. 10. Фотография скомпенсированного 3-дБ НО сделанного по ассиметричной технологии
Матрица Батлера состоит из четырех 3 - дБ 90° направленных ответвителей, двух фазовращателей и кроссовера рис. 11. Кроссовер состоит из двух тандемно соединенных НО. Структура состоит из верхней тонкой диэлектрической подложки Rogers 5870 толщиной h = 0,127 мм, диэлектрической проницаемостью er = 2,33 на которой вытравлена конфигурация микрополосковых проводников. Верхний и нижний слой объединены припрегом толщиной h = 0,038 и диэлектрической
проницаемостью er = 2,28
Верхний слой
Рис. 11. Конфигурация полосковых проводников и макет матрицы Батлера
Эксперимент показал, что, изготовленный по данной технологии квадратурный НО, при центральной частоте рабочего диапазона 2,2 ГГц характеризуется дисбалансом фазы в выходных плечах не более ± 7° и дисбалансом по амплитуде не более 0,4 дБ, рис. 12.
12^4 Частота, ГГц а)
3 4
Частота, ГГц б)
5-30
и 0
(v
Я
р -20
В -30
-40
А4'
1 2 3 4 12 3 4
Частота, ГГц Частота, ГГц
б) в)
Рис. 12. Частотные зависимости характеристик. Переходное ослабление при подаче сигнала на вх. 1 а), переходное ослабление при подаче сигнала на вх.2 б), коэффициент отражения в), развязка г)
Данная матрица Батлера характеризуется малым дисбалансом амплитуд от номинальных значений и предназначена для работы в октавном диапазоне частот.
В [13] предложен способ выравнивания электрических длин для четной и нечетной мод в линиях с офсетной связью, рис. 13, на основе которых формируются НО.
а) б)
Рис. 13. Линии с офсетной связью: в сечении а), вид сверху б)
Введение компенсирующих емкостей С1, рис.14, позволяет заметно улучшить характеристики НО по развязке и уровню отраженной от входов мощности.
а) б)
Рис. 14. НО с компенсирующими емкостями а), его эквивалентная схема б)
Установка же в области связи дополнительных емкостей С2, рис.15, усиливает положительный эффект, позволяя симметрировать АЧХ устройства в широкой полосе частот.
а)
б)
Рис. 15. НО с компенсирующими емкостями, установленными на входах и в области связи а), его эквивалентная схема б)
На рис. 16 изображена матрица Батлера разработанная на основе направленных ответвителей с офсетной связью.
б)
Рис. 16. Фотография матрицы Батлера а), фотография макета в сборе б)
Результаты анализа диаграммообразующей схемы представлены на рис. 17
Частота, ГГц
а)
-20 дБ
/
: \
\ 1 1 v
Частота, ГГц б)
Рис. 17. Экспериментальные частотные зависимости характеристик: переходное ослабление а), и развязка б)
Разработанная матрица Батлера предназначена для работы в частотном диапазоне 2 - 3 ГГц. Разбаланс амплитуд от номинальных значений составляет 6±0,4 дБ. Разности фаз сигналов в выходных плечах ДОС не превышают ± 4° от
номинальных значении, потери на отражение и развязка не менее минус 25 дБ.
В виду развития UWB (Ultra-Wideband) технологии для беспроводной высокоскоростной связи, становиться актуальным создание широкополосных диаграммообразующих схем. Такая матрица Батлера представлена в работе [14]. В данной реализации рис. 18 а, кроссовер заменяеться каскадным соединением двух направленных ответвителей, что позволяет расширить полосу частот пропускания.
—8(1.11
—-S(1,5)
siiii
Sf1,7)
S(U)
Частота 1Гц
а) б)
Рис. 18. Топологическая схема МБ а), частотные зависимости характеристик S - параметров б)
Рис. 18 б, иллюстрирует результаты
моделирования. В октавной полосе частот 4 - 8 ГГц коэффициент отражения составляет не менее минус 15 дБ, в то время как переходное ослабление -6±1,5 дБ. К сожалению, не приведены результаты измерения разницы фаз между выходными портами ДОС.
Широкополосная четырёхлучевая матрица Батлера реализованная по многослойной технологии с применением четырёх эллиптических направленных ответвителей представлена в статье [15]. Эта матрицы использует два широкополосных трёхслойных эллиптических НО и два однослойных эллиптических направленных ответвителей рис. 19.
а)
б)
Рис. 19. Эллиптические НО: а) - трёхслойный, б) - однослойный
Сочетание вышеперечисленных компонентов представлены в многослойном исполнение на рис.
20. Верхний слой связан с нижним слоем через апертуру связи специальной формы. Рис. 20 б, иллюстрирует коэффициент отражения, который составляет величину не хуже минус 15 дБ. Разбаланс амплитуд переходного ослабления мал и составляет порядка -6±0,5 дБ.
а)
б)
Рис. 20. Топологическая схема МБ а), частотные зависимости характеристик б)
В статье [16] предложена компактная четырёхлучевая матрица Батлера (МБ). Конструкция диаграммообразующей схемы (ДОС) основана на использование компактного микрополоскового 3-дБ НО. В 1969 году Джулиус Ланге предложил конструкцию микрополоскового 3-дБ
направленного ответвителя на связанных встречностержневых линиях [17]. Длина области связи равнялась четверти длины волны для центральной частоты диапазона. В 10-см диапазоне длин волн он характеризовался следующими параметрами в полосе рабочих частот около 40%: неравномерность деления не более 0,25 дБ, развязка не менее 27 дБ, потери на отражение не менее 25 дБ, диссипативные потери не более 0,13 дБ. Топология ответвителя Ланге рис.21 а), и построенная на его основе компактная четырёхлучевая МБ представлена на рис. 21, б.
65 шш б)
Рис. 21. Топология ответвителя Ланге а), и конфигурация полосковых проводников МБ б)
По сравнению с традиционными направленными ответвителями на двухпроводных линиях, мост Ланге характеризуется вполне приемлемыми размерами зазоров для реализации их по технологии ГИС при больших значениях коэффициента связи. Дополнительное достоинство конструкции моста Ланге, по сравнению с
конструкцией традиционных встречно-стержневых НО с числом связанных линий n = 4 состоит в том, что для многих применений оказывается более удобным расположение выходных плеч. К настоящему времени предложено множество конструктивных типов реализации встречностержневых мостов [18].
При моделировании использовалась модель подложки Rogers RT/Duroid с относительной диэлектрической проницаемостью er = 6,15 и толщиной h = 1,27 мм.
Матрица Батлера (МБ) имеет дисбаланс мощности между выходными плечами - 6±0,5 дБ, потери по отраженной мощности более -25 дБ. и разность фаз от номинальных значений ±4°. Результаты моделирования изображены на рис. 22.
а)
Частота. ГГ ц б)
Рис. 22. Частотные зависимости направленности и развязки а), разница фаз выходных сигналов б)
Получившееся матрица Батлера (МБ) обладает одновременно несколькими преимуществами перед традиционной реализацией устройства. Во-первых, существенно меньшими габаритными размерами, во-вторых, расширенной полосой частот.
2. Двухдиапазонные матричные схемы Батлера стандарта 802.11 а/Ь
В работе [19] предложена новая топология двухдиапазонной матрицы Батлера,
предназначенная для систем локальной
беспроводной радиосвязи в соответствии со стандартом IEEE 802.11 a/b и функционирующая в двухчастотном диапазоне 2,4 и 5,0 ГГц, рис 23.
Данная МБ базируется на двухдиапазонном направленном ответвителе предложенном в статье [20]. Был изготовлен макет на подложке R03006 с относительной диэлектрической проницаемостью ег = 6,15 и толщиной к = 0,635 мм. Его
характеристики, представлены на рис.24. Видим, что в предложенной схеме имеет место малый дисбаланс по коэффициенту деления мощности, который составляет -6,7+/-0,8 дБ в заданных частотных диапазонах.
Рис.23. Топология двухдиапазонной матрицы Батлера
Частота, Г
а)
б)
Рис. 24. Частотные зависимости характеристик двухдиапазонной МБ: при подаче сигнала на вх.1, а), при подаче сигнала на вх.2 б)
Данная топологическая реализация обеспечивают коэффициент отражения от входов и развязку между каналами не хуже минус 24 дБ, рис 25, и неравномерность деления мощности не более
0,8 дБ.
Частота, ГГц
Рис. 25. Коэффициент отражения S(l,l) и
развязка S(l,2) двухдиапазонной МБ: эксперимент (.....),
моделирование (------)
Двухдиапазонная матрица Батлера может быть вы полнена с использованием стандартных процедур изготовления печатных плат, без сосредоточенных элементов, навесных проводов и
межслойных отверстий в подложках. Поперечные габаритные размеры устройства составляют 60x60 мм.
В работе [21] предложена топология двухдиапазонной МБ основанная на печатных направленных ответвителях. Был изготовлен макет ДОС на подложке с диэлектрической проницаемостью ег = 2,33 и толщиной к = 1,57 мм, рис.26.
Рис. 26. Макет двухдиапазонной матрицы Батлера
Печатными эти гибридные НО называют по аналогии с микрополосковыми антеннами, на которые они внешне похожи. В их топологии отсутствует ярко выраженная шлейфная конфигурация, характерная для традиционных схем НО. В результате они относятся к известному классу двумерных, или планарных СВЧ цепей.
На рис. 27 и 28 приведены частотные зависимости S - параметров при возбуждении первого входа.
а)
Частота, I б)
Рис. 27. Частотные характеристики: а) — моделирование, б) — эксперимент
2.45 GHz 5-25 GHZ jgGHz
L r-J
/кТ/І.
і У
phaM dflaranca (3,4) —phaHdíffarsflca (3,7) —phase difiere nca (3,8)
Частота, ГГц
Рис. 28. Разности фаз на выходах матрицы Батлера: а) — моделирование, б) — эксперимент В частотных диапазонах 2,4-2,5 ГГц и 5-6 ГГц МБ обладает следующими характеристикам: потери по отражению на входах не более минус 12 и 15 дБ соответственно. В то время как развязка между каналами превышает минус -15 дБ в двух диапазонах соответственно. Неравномерность
переходного ослабления не превышает ±1,7 дБ относительно номинальных значений. Разность фаз от номинальных значений составляет ±2°.
Заключение
Подводя итог, сделаем ряд заключений общего характера. Успех достигнут, во-первых путем перехода на комбинированные схемы, состоящие из элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами, включения в схемы специальных типов П-, Т- и комбинированных П-Т-звеньев. Во-вторых, получены двухчастотные режимы функционирования МБ. В-третьих, достигнуто впечатляющее расширение полосы рабочих частот за счёт использования многослойных технологий. В-четвертых, найдены новые способы компенсации разности фазовых длин отрезков связанных линий для четной и нечетной мод, что позволило резко улучшить характеристики МБ.
Литература
1. Вендик, О.Г. Антенны с электронным движением луча. Введение в теорию / О.Г. Вендик, М.Д. Парнес; под ред. Л. Д. Бахраха. - М.: Радиотехника, 2001. - 250 с.
2. Butler, J.L. Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas / J.L. Butler, R. Lowe // Electron. Des. - 1961. - Vol. 9. - №4. - P. 170-173.
3. Shelton J. Multiple beams from linear arrays / J. Shelton, K. Kelleher // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 1961. - Vol. 9. - №2. - P. 154-161.
4. Mosca, S. A novel design method for Blass matrix beam-forming networks / S. Mosca, F. Bilotti, A. Toscano, L. Vegni // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 2002. - Vol. 50. - №2. - P. 225-232.
5. Lo, Y.T. Antenna Handbook / Y.T. Lo, S.W. Lee; New York: Van Nostrand Reinhold, 1988. - 860 с.
6. Fonseca, N. J. G. Printed S-band 4x4 Nolen matrix for multiple beam antenna applications / N.J.G. Fonseca // IEEE Trans. Ant. Prop. - 2009. - Vol. 57. - №6 - P. 16731678.
7. Nedil, M. A new ultra-wideband beamforming for wireless communications in underground mines / M. Nedil, T. A. Denidni, A. Djaiz, and A. M. Habib // Progress In Electromagnetics Research M. - 2008. - Vol. 4. - №8 - P. 121.
8. Следков, В.А. Разработка широкополосных матриц Батлера для L и S диапазонов / В.А. Следков, Л.А. Обрезанова, М.Б. Мануилов // Труды 15-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии» (КрыМиКо’2005). г. Севастополь. - 2005. -C. 572-573.
9. Следков, В.А. Широкополосные матрицы Батлера диапазона 4...8 ГГц / В.А. Следков, Л.А. Обрезанова, М.Б. Мануилов // Электромагнитные волны и электронные системы. -2009.- №6. - C. 73-78.
10. Следков, В.А. Синтез направленных ответвителей с фиксированной разностью фаз выходных сигналов // Радиотехника и электроника-1981.- Т. 26. -№ 6. - С. 1310-1313.
11. Krzysztof, W. Planarne i konforemne zintegrowane uklady antenowe z macierza Butlera jako siecia formowania wielu wiazek. Analiza, projektowanie i badania eksperymentalne: дис. д-ра техн. наук: Raport I28/P-006/07 / Krzysztof Wincza. - Wroclaw., 2007. - 205 с.
12. Gruszczynski, S. Compact broadband Butler matrix in multilayer technology for integrated multibeam antennas /
S. Gruszczynski, K. Wincza and K. Sachse // Electron. Lett. -2007. - Vol. 43. - №11. - P. 635-636.
13. Gruszczynski, S. Design of compensated coupled-
stripline 3-dB directional couplers, phase shifters, and Magic-T’s—Part I: Single-section coupled-line circuits / S.
Gruszczynski, K. Wincza, K. Sachse // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 2006. - Vol. 54. - №11. - P. 3986-3994.
14. Nedil, M. Novel ultra-wideband CB-CBW Butler matrix / М. Nedil, A. M Habib, T.A. Denidni // IEEE Trans. Antennas Propag. - 2008 - Vol. - № 7. - Р. 1-4.
15. Traii, M. Novel UWB multilayer Butler matrix / M. Traii, М. Nedil, A Gharsallah, T.A. Denidni // IEEE Trans. Antennas Propag. - 2010 - Vol. - № 7. - Р. 1317-1321.
16. Traii, M. A new design of compact 4 x 4 butler matrix for ISM applications / M. Traii, M. Nedil, А. Gharsallah // International Journal of Microwave Science and Technology. - 2008. -№8.
17. Lange, J. Interdigitated Stripline Quadrature Hybrid / J. Lange // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1969. -Vol. 17. - №17. - P. 1150-1151.
18. Tajima, Y. Multiconductor Couplers / Y. Tajima, S. Kamihashi // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1978. -Vol. 26. - №10. - P. 795-801.
19. Collado, C. Dual-band Butler matrix for WLAN systems / C. Colloado, A. Grau, and F. De Flaviis // Microwave Symposium Digest. - 2005. - Vol. 52 - №10 -P.2247-2250.
20. Collado, C. Dual-band planar quadrature hybrid with enhanced bandwidth response / C. Colloado, A. Grau, and F. De Flaviis // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -2006. - Vol. 54. - №1. - P. 180-188.
21. Zheng, S.Y. Dual-Band Rectangular Patch Hybrid Coupler / S.Y. Zheng, S.H. Yeung, W.S. Chan // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 2008. - Vol. 56. - №1. - P. 17211728.
Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний России
MATRIX SCHEME BUTLER MICROWAVE RANGE
N.N. Shetinin, R.N. Andreev, M.Ju. Chepelev, V.A. Melnik
In the paper, a synthesis of the current state of a four-matrix schemes Butler. Received a number of new, very interesting results, which in some cases dramatically improve performance beamforming schemes such as Butler matrix
Key words: matrix Butler, directional coupler
