Матрица Батлера является диаграммообразующая сеть используется для питания фазированной решетки из антенных элементов . Его цель - управлять направлением луча или лучей радиопередачи . Он состоит изматрица гибридных ответвителей и фазовращателей с фиксированным значением, где это некоторая степень 2. Устройство имеет входные порты ( порты луча), к которым подается питание, и выходные порты (порты элементов), к которым антенные элементы подключены. Матрица Батлера подает питание на элементы с нарастающей разностью фаз между элементами, так что луч радиопередачи находится в желаемом направлении. Направление луча регулируется переключением мощности на желаемый порт луча. Более одного луча или даже всех из них можно активировать одновременно.
Эта концепция была впервые предложена Батлером и Лоу в 1961 году. [1] Это развитие работы Бласса в 1960 году. [2] Ее преимуществом перед другими методами углового формирования луча является простота оборудования. Для этого требуется гораздо меньше фазовращателей, чем для других методов, и он может быть реализован в виде микрополосков на недорогой печатной плате . [3]
Антенны
Антенные элементы, питаемые матрицей Батлера, обычно представляют собой рупорные антенны на микроволновых частотах, на которых обычно используются матрицы Батлера. [4] Рупоры имеют ограниченную полосу пропускания, и могут использоваться более сложные антенны, если требуется более октавы . [5] Элементы обычно располагаются в виде линейного массива . [6] Матрица Батлера также может питать круговой массив, обеспечивающий охват на 360 °. Еще одно применение круглой антенной решетки - получение всенаправленные лучи с ортогональными фазовыми режимами, так что несколько мобильных станций могут одновременно использовать одну и ту же частоту, каждая из которых использует свой фазовый режим. [7] Круглая антенная решетка может быть сделана так, чтобы одновременно формировать всенаправленный луч и множественные направленные лучи, когда они проходят через две матрицы Батлера друг за другом. [8]
Матрицы Батлера могут использоваться как с передатчиками, так и с приемниками. Поскольку они пассивны и взаимозаменяемы , одна и та же матрица может выполнять обе функции - например, в приемопередатчике . Они обладают тем преимуществом, что в режиме передачи они передают лучу полную мощность передатчика, а в режиме приема они собирают сигналы с каждого направления луча с полным усилением антенной решетки. [9]
Составные части
Существенными компонентами, необходимыми для построения матрицы Батлера, являются гибридные ответвители и фазовращатели с фиксированным значением . Кроме того, точное управление направлением луча может быть обеспечено с помощью регулируемых фазовращателей в дополнение к фиксированным фазовращателям. [10] Используя переменные фазовращатели в сочетании с переключением мощности на порты луча, можно производить непрерывную развертку луча. [11]
Дополнительным компонентом, который можно использовать, является схема с распределенными элементами планарного кроссовера . Микроволновые схемы часто производятся в плоском формате, называемом микрополосковым . Линии, которые должны пересекать друг друга, обычно выполняются в виде воздушного моста . Они не подходят для этого приложения, потому что неизбежно существует некоторая связь между пересекаемыми линиями. [12] Альтернативой, которая позволяет реализовать матрицу Батлера полностью в виде печатной схемы и, следовательно, более экономично, является кроссовер в виде ответвителя . [13] Перекрестный ответвитель эквивалентен двум гибридным ответвителям под углом 90 °, соединенным каскадом . Это добавит дополнительный сдвиг фазы на 90 ° к пересекаемым линиям, но это можно компенсировать добавлением эквивалентного количества фазовращателей в линиях, которые не пересекаются. Теоретически идеальный кроссовер ответвления не имеет связи между двумя проходящими через него путями. [14] В этом варианте реализации фазовращатели выполнены в виде линий задержки соответствующей длины. Это просто извилистая линия на печатной плате. [15]
Микрополоски дешевы, но подходят не для всех приложений. При большом количестве антенных элементов путь через матрицу Батлера проходит через большое количество гибридов и фазовращателей. Совокупные вносимые потери от всех этих компонентов в микрополоске могут сделать его непрактичным. Технология, обычно используемая для решения этой проблемы, особенно на более высоких частотах, - это волновод с гораздо меньшими потерями. Он не только дороже, но и гораздо более громоздкий и тяжелый, что является серьезным недостатком для использования в самолетах. Другой вариант, менее громоздкий, но с меньшими потерями, чем микрополосковый, - это волновод, интегрированный в подложку . [16]
Приложения
Типичное использование матриц Батлера в базовых станций в сетях мобильной связи , чтобы держать лучи указывая на мобильных пользователей. [17]
Линейные антенные решетки, управляемые матрицами Батлера или какой-либо другой схемой формирования луча, для создания сканирующего луча используются в приложениях для определения направления . Они важны для военных систем предупреждения и определения местоположения цели. [18] Они особенно полезны в военно-морских системах из-за возможности получения широкого углового покрытия. [19] Еще одна особенность, которая делает матрицы Батлера привлекательными для военных приложений, - это их скорость по сравнению с системами механического сканирования. Это необходимо для того, чтобы сервоприводы успели установить время . [20]
Примеры
Матрица 2x2
Матрица 4 × 4
Реализация в микрополоске
Матрица 8 × 8
Анализ
Линейная антенная решетка будет создавать луч, перпендикулярный линии элементов (поперечный луч), если все они запитаны синфазно. Если они питаются с фазовым переходом между элементами
затем будет получен луч в направлении линии (луч торцевого пламени). Использование промежуточного значения фазового сдвига между элементами даст луч под некоторым углом, промежуточным между этими двумя крайними значениями. [28] В матрице Батлера фазовый сдвиг каждого луча выполняется
а угол между внешними балками определяется выражением
Выражение показывает, что уменьшается с увеличением частоты. Этот эффект называется косоглазием луча . И матрица Бласса, и матрица Батлера страдают от косоглазия луча, и этот эффект ограничивает доступную полосу пропускания. [29] Другой нежелательный эффект заключается в том, что чем дальше луч отклоняется от оси визирования (поперечный луч), тем ниже пиковое поле луча. [30]
Общее количество требуемых схемных блоков составляет
- гибриды и,
- фиксированные фазовращатели. [31]
С всегда является степенью двойки, мы можем позволить , то необходимое количество гибридов равно и фазовращатели .
- Используемые символы
- количество антенных элементов, равное количеству портов луча
- расстояние между элементами антенны
- порядковый номер антенного порта
- длина волны
- частота
- сдвиг фазы
- угол
- скорость света
Ортогональность
Чтобы быть ортогональными (то есть не мешать друг другу), формы луча должны соответствовать критерию Nyquist ISI , но с расстоянием в качестве независимой переменной, а не со временем. Предполагая, что форма луча с функцией sinc , лучи должны быть расположены так, чтобы их пересечение происходило наих пикового значения (примерно на 4 дБ ниже). [32]
Смотрите также
- RF переключатель
Рекомендации
- ^ Josefsson & Persson, стр. 370
- ^ Липский, стр. 130
- ^ Innok et al. , п. 1
- ^ Липский, стр. 129
- ^ Липский, стр. 130
- ^ Липский, стр. 130
- ^ Josefsson & Persson, стр. 371-372
- Перейти ↑ Fujimoto, pp. 199-200
- ^ Миллиган, стр. 594
- ^ Josefsson & Persson, стр. 371
- ^ Josefsson & Persson, стр. 372
- ^ Comitangelo et al. , п. 2127-2128
- ^ Innok et al. , стр. 2, 5, 7
- ^ Comitangelo et al. , п. 2128
- ^ Tzyh-Ghuang et al. , п. 107
- ^ Sturdivant & Harris, стр. 225
- ^ Balanis & Иоаннидес, стр. 39-40
- ^ Poisel, стр. 168-174
- ^ Липский, стр. 129
- ^ Пуазель, стр. 169
- ^ Пуазель, стр. 269
- ^ Пуазель, стр. 269
- ^ Balanis & Panayiotis, стр. 41 год
- Пуазель, стр. 173
- ^ Пуазель, стр. 173
- ^ Innok et al. , стр.5, 7
- ^ Липский, стр. 131
- Фудзимото, стр. 200
- ^ Липский, стр. 131
- ^ Липский, стр. 130
- ^ Haupt, стр. 85
- ^ Poisel, стр. 173-174
- ^ Баланис и Иоаннидес, стр. 41 год
- ^ Пуазель, стр. 168
Библиография
- Баланис, Константин А .; Иоаннидес, Панайотис И., Введение в интеллектуальные антенны , Morgan & Claypool, 2007 ISBN 9781598291766 .
- Бласс, Дж., «Многонаправленная антенна - новый подход к составным пучкам» , 1958 IRE International Convention Record , 1966.
- Батлер, Дж .; Лоу, Р., "Конструкция упрощающих матрицу формирования луча антенн с электрическим сканированием", Electronic Design , 1961.
- Comitangelo, R .; Минервини, Д .; Пиовано, Б., " Лучшеобразующие сети оптимального размера и компактности для многолучевых антенн на частоте 900 МГц" , Международный симпозиум IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997 , vol. 4. С. 2127-2130, 1997.
- Fujimoto, Kyohei, Справочник по мобильным антенным системам , Artech House, 2008 г. ISBN 9781596931275 .
- Хаупт, Рэнди Л., Решетки с синхронизацией: широкополосные и изменяющиеся во времени антенные решетки , Wiley, 2015 г. ISBN 9781118860144 .
- Иннок, Апинья; Утансакул, Пирапонг; Утансакул, Мониппа, " Метод углового формирования луча для системы формирования луча MIMO" , Международный журнал антенн и распространения , т. 2012, вып. 11 декабря 2012 г.
- Йозефссон, Ларс; Перссон, Патрик, Теория и конструкция антенн с конформной решеткой , Wiley, 2006 г. ISBN 9780471780113 .
- Липски, Стивен Э., Пассивное определение направления в микроволновом диапазоне , SciTech Publishing, 2004 г. ISBN 9781891121234 .
- Миллиган, Томас А., Современный дизайн антенн , Wiley, 2005 г. ISBN 9780471720607 .
- Пуазель, Ричард, Методы определения местоположения целей радиоэлектронной борьбы , Artech House, 2012 г. ISBN 9781608075232 .
- Стердивант, Рик; Харрис, Майк, Передающие приемные модули для радиолокационных и коммуникационных систем , Artech House, 2015 г. ISBN 9781608079803 .
- Цзы-Гуанг Ма, Чао-Вэй Ван, Чи-Хуэй Лай, Ин-Ченг Цзэн, Синтезированные линии передачи , Wiley, 2017 ISBN 9781118975725 .