Трехлучевая матрица Батлера на основе двухшлейфного направленного ответвителя диапазона 1,5 - 1,75 ГГц Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.372.85

ТРЕХЛУЧЕВАЯ МАТРИЦА БАТЛЕРА НА ОСНОВЕ ДВУХШЛЕИФНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ДИАПАЗОНА 1,5 - 1,75 ГГЦ

Н.Н. Щетинин

В работе спроектирована трехлучевая матрица Батлера для работы в диапазоне частот 1,5-1,75 ГГц. Схема обеспечивает формирование трех ортогональных лучей линейной антенной решетки за счет стабильности электрических характеристик. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными данными

Ключевые слова: матрица Батлера, направленный ответвитель

Направленные ответвители (НО) могут быть использованы в радиолокации, радионавигации, связи, антенных системах и радиоизмерениях как самостоятельное

устройство, а также в качестве

функционального узла для построения

делителей мощности, смесителей, модуляторов, дискриминаторов, сумматоров мощности, диаграммообразующих элементов [1].

Двухшлейфный НО является одним из самых популярных форм направленных ответвителей из-за его удобства в разработке и реализации. Конфигурация традиционного

трёхдецибельного направленного ответвителя показана на рис. 1, где порт 1 входной порт, порт 2 развязанный порт, порты 3 и 4 выходные порты. На центральной частоте электрические

длины шлейфов в1 и 02 составляют 900, а характеристические импедансы Z1 и Z2 равны 50 Ом и 35 Ом соответственно.

Рис. 1. Конструктивно-топологическая

реализация

Направленный ответвитель, рис.1, в диапазоне частот 1,5 - 1,75 ГГц

характеризуется максимальным разбалансом амплитуды и фазы по уровням, не превышающим 0,7 дБ и 270° ±2°,

соответственно, рис. 2. В рабочей полосе частот достигнуто согласование входов и развязка по уровню, не хуже минус 17 дБ.

Щетинин Никита Николаевич-МИКТ, аспирант, e-mail: [email protected]

~\—I—I—I 1—I—I—I 1—I—I—I 1—I—I—I 1—I—I—г

1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Частота, ГГц б)

Рис.2. Частотные зависимости характеристик традиционного НО

Двухшлейфный НО широко

используются для построения матриц Батлера -диаграммообразующих схем, обеспечивающих формирование лучей многолучевых антенных решеток.

На рис. 3 представлена топология и плата трехлучевой МБ. Данная топология исключает использование кроссоверов, это позволяет уменьшить потери и уменьшить размер схемы. Достоинство предложенной схемы состоит в том, что она позволяет

формировать три ортогональных луча от четырех антенн в желаемом направлении, тем самым исключить ДН в не желаемом направлении, в сравнение с традиционной четырехлучевой МБ [2].

Трёхлучевая МБ состоит из трех двухшлейфных НО, и двух 90° фазовращателей и позволяет формировать три луча ДН решетки при запитке соответствующих входов.

Рис. 3. Конструктивно-топологическая реализация а) и фотография макета б), трехлучевой МБ

Экспериментальный макет изготовлен на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью sr = 4,45, толщиной h = G,51 мм и тангенсом угла потерь G.G2. Топология МБ рассчитана с помощью программного комплекса ADS.

На рис.4 представлены частотные характеристики трехлучевой МБ в полосе частот 1,5 - 1,75 ГГц.

-10-

п

—и-20-

GO W О <N

-30-

-40-

-50-

-

nF0]

Г"-%. *^S(1, 4). . 3) 'j ^ □ □ □ 1 1 1 1

і S(1,7h -1-5(1,6)- : S(i,5h і і і і Cx Л S(1,

1 і і і і \ і і I CO CO -

1.50 1.55

1.60 1.65 1.70

Частота, ГГц а)

1.75

"I—I—I—I—|—I—ГП—I——I—ГП—I——I—I—I—I—рп—I—I—г

1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Частота, ГГц б)

Рис. 4. Результаты моделирования (а) и

эксперимента (б), трёхлучевой МБ при подаче сигнала на порт 1

Из графиков, изображенных на рис.4 видим, что в предложенной схеме имеет место малый дисбаланс по коэффициенту деления мощности, который составляет -6,7+/-1 дБ, потери на отражение не менее минус 14 дБ, в заданных частотных диапазонах.

На рис. 5. изображены графики

моделирования и эксперимента при подаче сигнала на порт 2. В рабочей полосе частот достигнуто согласование входов и развязка по уровню, не превышающему минус 14 дБ. На центральной же частоте развязка достигает уровня минус 40 дБ.

“ГП—ГН—|—I—I—I—I——I—I—I—г

1.50 1.55 1.60 1.65

Частота, ГГц а)

1.70

“I—I—I—Г

1.60 1.65

Частота, ГГц б)

Рис. 5. Результаты моделирования (а) и

эксперимента (б), трёхлучевой МБ при подаче сигнала на порт 2

Измерения параметров макета при подаче сигнала на порт 3 показали, что неравномерность деления мощности не превышает ±1 дБ относительно номинальных значений. Развязка по уровню, не превышающему минус 15 дБ.

1.75

Частота, а)

Рис. 6. Результаты моделирования (а) и

эксперимента (б), трёхлучевой МБ при подаче сигнала на порт 3

1.75

“I—I—Г

1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Частота. ГГц б)

Рис.6. Продолжение Экспериментальные частотные

характеристики фаз и характеристики моделирования изготовленной трехлучевой МБ приведены на рис. 7-9.

фаза 8(1,4)-фаза 8(1,5)

200

150

ЕГ

Л 11 И»

Он

1-І

<тГ 50

ГП

св

0

-50

100

фаза 8(1,4)-фаза 8(1.6)

фаза 8(1,4)-фаза 8(1,7)

1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Частота, ГГц а)

і—і—і—і—і—|—і—і—і—і—1~

1.60 1.65 1.70

Частота, ГГц

б)

Рис. 7. Результаты моделирования (а) и

эксперимента (б), разницы фаз выходных сигналов подаче сигнала на порт 1

Измерения показывают, что разности фаз сигналов в выходных плечах МБ при подаче сигнала на порт 1 и порт 2 не превышают ± 8° от номинальных значений.

et 200ой P-

1 50-

C3

-0-

100-

50-

фаза S(2,5)-c|m3a(S2,4) фаза 8(2,5)-фаза(82,6)

фаза 8(2,5)-фаза(82,6)

1—I—I—|—I—I—I—I-1—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—

1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Частота, ГГц б)

Рис. 8. Результаты моделирования (а) и

эксперимента (б), разницы фаз выходных сигналов подаче сигнала на порт 2

На рис. 9 изображены графики разницы фаз выходных сигналов относительно порта 3, из них видно, что фазовый дисбаланс не превышает ±8° .

Частота, ГГц а)

Рис. 9. Результаты моделирования (а) и эксперимента (б), разницы фаз выходных сигналов подаче сигнала на порт 3

Рис. 9. Продолжение

Полученные экспериментальные

результаты хорошо согласуются с результатами моделирования. Полученные результаты демонстрируют возможность использования диаграммообразующей схемы Батлера в частотном диапазоне 1,5 - 1,75 ГГц.

Литература

1. 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. - 2GGS. - Vol. 4. - №S - P. 121.

2. Koubeissi, M., et al.: ‘Design of a new topology of Butler matrices with broadside beam for multibeam antenna’. 28th ESA Antenna Worksop on тмSpace Antenna Systems and Technologies, Noordwijk, The Netherlands, ESA/ESTEC, May 2GG5

Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж

THREE-BEAM BUTLER MATRIX BASED ON DOUBLE-STUB DIRECTIONAL COUPLER

AT 1.5-1.75 GHz FREQUENCY RANGE

N.N. Shetinin

This paper describes the design of a three-beam Butler matrix operated at 1.5-1.75 GHz frequency range. Presented design provides the formation of three orthogonal beams of a linear antenna array at the expense of the stability of electrical characteristics. The simulation results are confirmed by experimental data

Key words: matrix Butler, directional coupler