Матрица Батлера

редактировать

A Батлер matrix представляет собой сеть формирования диаграммы направленности, используемую для питания фазированной решетки из антенных элементов. Его цель - управлять направлением луча или лучей радиопередачи. Он состоит из $n × n {\ displaystyle n \ times n}$ $п \ раз п$ матрицы гибридных ответвителей и фазовращателей с фиксированным значением , где $n {\ displaystyle n}$ $n$ - некоторая степень двойки. Устройство имеет $n {\ displaystyle n}$ $n$ входные порты (порты луча) для какое питание подается, и $n {\ displaystyle n}$ $n$ порты вывода (порты элементов), к которым $n {\ displaystyle n}$ $n$ 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 контролируется переключением мощности на желаемый порт луча. Более одного луча или даже все $n {\ displaystyle n}$ $n$ из них могут быть активированы одновременно.

Эта концепция была впервые предложена Батлером и Лоу в 1961 году. Это развитие работы Бласса в 1960 году. Ее преимущество перед другими методами углового формирования луча заключается в простоте оборудования. Для него требуется гораздо меньше фазовращателей, чем для других методов, и он может быть реализован в виде микрополоскового на недорогой печатной плате.

Содержание

1 Антенны
2 Компоненты
3 Приложения
4 Примеры
- 4.1 Матрица 2x2
- 4.2 Матрица 4 × 4
  - 4.2.1 Реализация в микрополосковой схеме
- 4.3 Матрица 8 × 8
5 Анализ
- 5.1 Ортогональность
6 См. Также
7 Ссылки
8 Библиография

Антенны

Антенные элементы, питаемые матрицей Батлера, обычно представляют собой рупорные антенны в микроволнах частоты, на которых обычно используются матрицы Батлера. Рупоры имеют ограниченную полосу пропускания, и могут использоваться более сложные антенны, если требуется более октавы. Элементы обычно располагаются в виде линейного массива . Матрица Батлера также может питать круглый массив, обеспечивающий охват на 360 °. Еще одно применение круглой антенной решетки - создание $n {\ displaystyle n}$ $n$ всенаправленных лучей с ортогональными фазовыми режимами, чтобы несколько мобильных станций могли одновременно использовать одни и те же частота, каждый из которых использует свой фазовый режим. Круглая антенная решетка может быть создана для одновременного создания всенаправленного луча и множественных направленных лучей при последовательной передаче через две матрицы Батлера.

Матрицы Батлера могут использоваться как с передатчиками, так и с приемниками. Так как они являются пассивными и взаимными, одна и та же матрица может выполнять и то и другое - 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.

Компоненты

Существенными компонентами, необходимыми для построения матрицы Батлера, являются гибридные элементы связи и фазовращатели с фиксированным значением . Кроме того, точный контроль направления луча может быть обеспечен с помощью регулируемых фазовращателей в дополнение к фиксированным фазовращателям. Используя переменные фазовращатели в сочетании с переключением мощности на порты луча, можно получить непрерывную развертку луча.

Дополнительным компонентом, который можно использовать, является планарный кроссовер схема с распределенными элементами. Микроволновые схемы часто производятся в плоском формате, называемом микрополосковым. Линии, которые должны пересекаться друг с другом, обычно реализуются в виде воздушного моста. Они не подходят для этого приложения, потому что между пересекаемыми линиями неизбежно существует некоторая связь. Альтернативой, которая позволяет реализовать матрицу Батлера полностью в форме печатной схемы и, таким образом, более экономично, является кроссовер в форме ответвителя ответвления. Перекрестный ответвитель эквивалентен двум гибридным ответвителям 90 °, соединенным в каскад. Это добавит дополнительный сдвиг фазы на 90 ° к пересекаемым линиям, но это можно компенсировать, добавив эквивалентное количество фазовращателей в линиях, которые не пересекаются. Теоретически идеальный кроссовер ответвления не имеет связи между двумя проходящими через него путями. В реализации этого типа фазовращатели сконструированы как линии задержки соответствующей длины. Это просто извилистая линия на печатной плате.

Микрополосковая печать стоит недорого, но не подходит для всех приложений. При большом количестве антенных элементов путь через матрицу Батлера проходит через большое количество гибридов и фазовращателей. Суммарные вносимые потери от всех этих компонентов в микрополоске могут сделать его непрактичным. Технология, обычно используемая для решения этой проблемы, особенно на высоких частотах, - это волновод, который имеет гораздо меньшие потери. 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 интегрированный в подложку волновод.

Приложения

Типичное использование матриц Батлера - в базовых станциях из мобильные сети, чтобы лучи были направлены на мобильных пользователей.

Линейные антенные решетки, управляемые матрицами Батлера или какой-либо другой сетью формирования луча, для создания сканирующего луча используются в пеленгаторные приложения. Они важны для систем предупреждения и обнаружения цели. Они особенно полезны в военно-морских системах из-за возможности получения широкого углового покрытия. Еще одна особенность, которая делает матрицы Батлера привлекательными для военных приложений, - это их скорость по сравнению с системами механического сканирования. Они должны обеспечивать время установления для сервоприводов.

Примеры

Матрица 2x2

Схема матрицы 2x2

Диаграмма луча, созданная матрицей 2x2

Матрица 4 × 4

Схема матрицы 4 × 4

Диаграмма направленности, созданная матрицей 4x4

Реализация в микрополоске

Матрица Батлера 4 × 4 2,4 ГГц в микрополоске

Идентификация блоков схемы в матрица 4 × 4

Матрица 8 × 8

Схема матрицы 8 × 8

Диаграмма диаграммы направленности, созданная матрицей 8x8

Анализ

Линейная антенная решетка будет формировать луч, перпендикулярный линия элементов (поперечный луч), если все они запитаны по фазе. Если они питаются с изменением фазы между элементами

2 π d λ {\ displaystyle 2 \ pi d \ over \ lambda}

{\ displaystyle 2 \ pi d \ over \ lambda}

, то будет создан луч в направлении линии (луч конечного пламени). Использование промежуточного значения фазового сдвига между элементами даст луч под некоторым углом, промежуточным между этими двумя крайними значениями. В матрице Батлера фазовый сдвиг каждого луча составляет

ϕ = (2 k - 1) π n, {\ displaystyle \ phi = {\ frac {(2k-1) \ pi} {n}} \,}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {(2k-1) \ pi} {n}} \,}

, а угол между внешними лучами равен

θ = 2 arcsin ⁡ [c 2 df (1 - 1 n)]. {\ displaystyle \ theta = 2 \ arcsin \ left [{\ frac {c} {2df}} \ left (1- {1 \ over n} \ right) \ right] \.}

{\ displaystyle \ theta = 2 \ arcsin \ left [{\ frac {c} {2df}} \ left (1- {1 \ over n} \ right) \ right] \.}

Выражение показывает, что $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ уменьшается с увеличением частоты. Этот эффект называется косоглазием луча. Как матрица Бласса, так и матрица Батлера страдают от косоглазия луча, и этот эффект ограничивает доступную полосу пропускания. Другой нежелательный эффект заключается в том, что чем дальше луч отклоняется по прямой (поперечный луч), тем ниже пиковое поле луча.

Общее количество требуемых схемных блоков составляет

n 2 log 2 ⁡ N {\ displaystyle {n \ over 2} \ log _ {2} n}

{\ displaystyle {n \ over 2} \ log _ {2} n}

гибриды и,

n 2 (log 2 ⁡ n - 1) {\ displaystyle {n \ over 2 } (\ log _ {2} n-1)}

{\ displaystyle {n \ более 2} (\ log _ {2} n-1)}

фиксированные фазовращатели.

Поскольку $n {\ displaystyle n}$ $n$ всегда является степенью двойки, мы может позволить $n = 2 m {\ displaystyle n = 2 ^ {m}}$ $n=2^{m}$ , тогда необходимое количество гибридов будет $2 m - 1 m {\ displaystyle 2 ^ {m- 1} m}$ ${\ displaystyle 2 ^ {m-1} m}$ и фазовращатели $2 m - 1 (m - 1) {\ displaystyle 2 ^ {m-1} (m-1)}$ ${\ displaystyle 2 ^ {m-1} (m-1)}$ .

Используемые символы: $n {\ displaystyle n}$ $n$ количество антенных элементов, равное количеству портов луча; $d {\ displaystyle d}$ $d$ расстояние между антенными элементами; $k {\ displaystyle k}$ $k$ порядковый номер порта антенны; $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ длина волны; $f {\ displaystyle f}$ $f$ частота; $ϕ {\ дис playstyle \ phi}$ $\ phi$ фазовый сдвиг; $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ angle; $c {\ displaystyle c}$ $c$ скорость света

Ортогональность

Чтобы быть ортогональными (то есть не мешать друг другу), формы луча должны соответствовать критерию Найквиста ISI, но с расстоянием в качестве независимой переменной, а не во времени. Предполагая форму луча с функцией sinc, лучи должны быть расположены так, чтобы их пересечение происходило на $2 / π {\ displaystyle 2 / \ pi}$ ${\ displaystyle 2 / \ pi}$ их пикового значения (примерно На 4 дБ ниже).

См. Также

РЧ-переключатель

Ссылки

Библиография

Balanis, Constantine A.; Иоаннидес, Панайотис И., Введение в интеллектуальные антенны, Morgan Claypool, 2007 ISBN 9781598291766.
Бласс, Дж., «Многонаправленная антенна - новый подход к групповым лучам», 1958 IRE International Convention Record, 1966.
Butler, J.; Лоу, Р., "Конструкция упрощающих матрицу формирования луча для 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, pp. 2127-2130, 1997.
Fujimoto, Kyohei, Mobile Antenna Systems Handbook, Artech House, 2008 ISBN 9781596931275.
Haupt, Randy L., Timed Arrays: Wideband and Time Vary Antenna Arrays, Wiley, 2015 ISBN 9781118860144.
Иннок, Апинья; Утансакул, Пирапонг; Утансакул, Мониппа, «Техника формирования углового луча для системы формирования луча MIMO», International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2012, вып. 11 декабря 2012 г.
Йозефссон, Ларс; Перссон, Патрик, Теория и конструкция антенн с конформной решеткой, Wiley, 2006 ISBN 9780471780113.
Липски, Стивен Э., Пассивное определение направления микроволнового излучения, SciTech Publishing, 2004 ISBN 9781891121234.
Миллиган, Томас А., Modern Antenna Design, Wiley, 2005 ISBN 9780471720607.
Пуазель, Ричард, цель радиоэлектронной борьбы Методы определения местоположения, Artech House, 2012 ISBN 9781608075232.
Стердивант, Рик; Харрис, Майк, Передающие приемные модули для радиолокационных систем и систем связи, Artech House, 2015 ISBN 9781608079803.
Цзы-Гуанг Ма, Чао-Вэй Ван, Чи-Хуэй Лай, Инь -Ченг Цзэн, Synthesized Transmission Lines, Wiley, 2017 ISBN 9781118975725.