[發(fā)明專利]Butler矩陣的實(shí)現(xiàn)方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710187780.5
• 申請(qǐng)日: 2007-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN101227216A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許玉峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: TenXc無線有限公司
• 主分類號(hào): H04B7/04
• 分類號(hào): H04B7/04;H04L1/06
• 代理公司: 北京信慧永光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 褚海英;武玉琴

技術(shù)領(lǐng)域

[1]本發(fā)明涉及Butler矩陣波束形成網(wǎng)絡(luò)，更具體地涉及一種4×4Butler矩陣的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

[2]在無線通訊系統(tǒng)中，扇形天線逐漸由相控陣或者波束形成天線所取代。這樣的天線包括固定天線單元陣列，其由天線單元和波束端口之間的波束形成網(wǎng)絡(luò)連接。天線的波束圖形由波束形成網(wǎng)絡(luò)的相位和幅值關(guān)系決定。天線單元和波束端口之間的信號(hào)的相位和幅值關(guān)系可以經(jīng)過調(diào)整以生成成形的波束圖形。于是舉例來說，通過簡(jiǎn)單地在不同的寸隙調(diào)整天線信號(hào)的相位和幅值，單個(gè)天線陣列就會(huì)生成天線能量的中央、左和右波束。

[3]相位和幅值調(diào)整通常受波束形成網(wǎng)絡(luò)的影響，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)接收傳送來的信號(hào)，并且以相干的方式將這些信號(hào)分布到每個(gè)天線單元，同時(shí)給各個(gè)單元施加預(yù)設(shè)的相位和幅值變化以生成各個(gè)單元之間的期望相位和幅值關(guān)系。為了接收操作，來自于每個(gè)單元的信號(hào)在被合成之前要進(jìn)行相位和幅值加權(quán)。

[4]但是，為了允許單個(gè)天線陣列生成不同的波束，陣列需要連接到對(duì)應(yīng)于每個(gè)波束的波束形成網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，單個(gè)天線單元可以連接到多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)以生成多波束。

[5]在簡(jiǎn)單地將天線單元連接到其各自的波束形成網(wǎng)絡(luò)的過程中將會(huì)產(chǎn)生顯著的合成損耗。單憑一般的經(jīng)驗(yàn)來說，當(dāng)兩個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)天線單元陣列時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大約3dB的功率損耗。

[6]Butler矩陣是一個(gè)眾所周知的結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)波束可以同步生成并且連接到天線單元陣列，同時(shí)使合成損耗最小。當(dāng)單元端口和天線單元陣列相連接的時(shí)候，通過使用90°混合單元對(duì)信號(hào)的分解和合成進(jìn)行布置，Butler矩陣在波束端口生成同步的多波束。例如，可以使用4×4Butler矩陣在具有四個(gè)天線單元的四個(gè)波束端口處生成4個(gè)正交的波束。同步生成多波束而具有最小損耗的性能很具有吸引力，因此，Butler矩陣波束形成網(wǎng)絡(luò)已被證明很具有廣泛性。

[7]圖1表示了現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的帶有波束形成網(wǎng)絡(luò)的4×4Butler矩陣的實(shí)現(xiàn)方式的方框圖。通常，m×mButler矩陣使用m個(gè)天線單元將生成m個(gè)波束。

[8]示例性的Butler矩陣包括：指定為B1?150、B2?155、B3?160和B4165的四個(gè)波束端口；分別指定為E1?100、E2?105、E3?110和E4?115的四個(gè)單元端口；分別指定為H1?120、H2?125、H3?140和H4?145的四個(gè)90°混合單元；以及分別指定為PS1?130和PS2?135的兩個(gè)45°移相器。

[9]僅僅為了解釋的目的，示例性Butler矩陣的工作原理將僅聯(lián)系發(fā)送工作原理進(jìn)行解釋。但是無論如何，考慮到互易原理，Butler矩陣的功能和接收工作原理的方式相似。

[10]每個(gè)波束端口150、155、160和165接受RF信號(hào)，所述RF信號(hào)將沿著相關(guān)聯(lián)的正交波束由每個(gè)天線單元發(fā)送。

[11]每個(gè)單元端口100、105、110和115連接到對(duì)應(yīng)的天線單元上，并且將其所接收的RF信號(hào)傳送給其對(duì)應(yīng)的天線單元以用于發(fā)送。

[12]每個(gè)混合單元120、125、140和145，也稱為混合耦合器或者正交耦合器，其接收兩個(gè)輸入，并且生成兩個(gè)輸出，每個(gè)輸出是其輸入端信號(hào)的合成。

[13]混合單元是具有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口的四端口設(shè)備。來自于兩個(gè)輸出端口的輸出信號(hào)彼此相移90°，并且因?yàn)榛旌蠁卧牡裙β史纸猓苑瞪辖档?dB。在該功率分解過程中沒有能量損耗。

[14]現(xiàn)有技術(shù)中已有的合適混合單元包括蘭格(Lange)耦合器、支線(branchline)耦合器，重疊(overlay)耦合器、邊緣(edge)耦合器和短槽(short-slot)混合耦合器以及其它四端口耦合器。在圖示的傳統(tǒng)耦合器中，當(dāng)輸入信號(hào)施加到90°混合耦合器的左側(cè)時(shí)，右側(cè)的輸出相對(duì)于左側(cè)的輸出相位上延遲90°，同時(shí)幅值相等但是比輸入幅值低3dB。類似地，當(dāng)輸入信號(hào)施加到90°混合耦合器的右側(cè)，左側(cè)的輸出相對(duì)于右側(cè)的輸出在相位上延遲90°，同時(shí)幅值相等但是比輸入幅值低3dB。

[15]每個(gè)移相器130、135接收單個(gè)輸入，并且生成相位延遲45°的單個(gè)輸出。