Матрица Батлера

Матрица Батлера — это сеть формирования диаграммы направленности , используемая для питания фазированной решетки антенных элементов . Его цель — управлять направлением луча или лучей радиопередачи . Он состоит из матрицы ( некоторая степень двойки) с гибридными ответвителями и фазовращателями с фиксированным значением на соединениях. Устройство имеет входные порты (лучевые порты), к которым подается питание, и выходные порты (порты элементов), к которым подключаются антенные элементы. Матрица Батлера подает мощность на элементы с прогрессивной разностью фаз между элементами, так что луч радиопередачи находится в желаемом направлении. Направление луча контролируется путем переключения мощности на нужный порт луча. Более одного луча или даже все они могут быть активированы одновременно. ${\displaystyle n\times n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$

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 аппаратного обеспечения. Для этого требуется гораздо меньше фазовращателей, чем для других методов, и его можно реализовать в виде микрополоски на недорогой печатной плате . ^[3]

Элементы 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 если требуется более октавы , можно использовать более сложные антенны. ^[5] Элементы обычно располагаются в виде линейного массива . ^[6] Матрица Батлера также может питать круглый массив, обеспечивая покрытие на 360°. Еще одним применением круглой антенной решетки является создание всенаправленных лучей с ортогональными фазовыми модами, чтобы несколько мобильных станций могли одновременно использовать одну и ту же частоту, каждая из которых использует разные фазовые моды. ^[7] Круглая антенная решетка может быть создана для одновременного создания всенаправленного луча и нескольких направленных лучей при их подаче через две матрицы Батлера подряд. ^[8] ${\displaystyle n}$

Матрицы Батлера можно использовать как с передатчиками, так и с приемниками. Поскольку они пассивны и взаимны , одна и та же матрица может выполнять и то, и другое – например, в трансивере . Они обладают тем выгодным свойством, что в режиме передачи выдают в луч всю мощность передатчика, а в режиме приема собирают сигналы каждого из направлений луча с полным усилением антенной решетки. ^[9]

Компоненты

Важными компонентами, необходимыми для построения матрицы Батлера, являются гибридные соединители и фазовращатели с фиксированным значением . Кроме того, точный контроль направления луча может быть обеспечен с помощью регулируемых фазовращателей в дополнение к фиксированным фазовращателям. ^[10] Используя регулируемые фазовращатели в сочетании с переключением мощности на порты луча, можно обеспечить непрерывную развертку луча. ^[11]

Дополнительным компонентом, который можно использовать, является планарный кроссовер с распределенными элементами . СВЧ-схемы часто изготавливаются в планарном формате, называемом микрополосковым . Линии, которые должны пересекаться друг с другом, обычно реализуются как воздушный мост. Они не подходят для этого приложения, поскольку между пересекаемыми линиями неизбежно возникает некоторая связь. ^[12] Альтернативой, которая позволяет полностью реализовать матрицу Батлера в виде печатной схемы и, следовательно, более экономично, является кроссовер в виде ответвителя . ^[13] Перекрестный соединитель эквивалентен двум гибридным соединителям под углом 90°, соединенным каскадом . Это добавит дополнительный сдвиг фазы на 90° к пересекаемым линиям, но это можно компенсировать, добавив эквивалентную величину к фазовращателям в непересекающихся линиях. Идеальный перекресток ответвлений теоретически не имеет связи между двумя путями, проходящими через него. ^[14] В этом виде реализации фазовращатели выполнены в виде линий задержки соответствующей длины. Это просто извилистая линия на печатной плате. ^[15]

Микрополосковые технологии дешевы, но подходят не для всех применений. При большом количестве антенных элементов путь через матрицу Батлера проходит через большое количество гибридов и фазовращателей. Совокупные вносимые потери всех этих компонентов микрополосковой схемы могут сделать ее непрактичной. Технология, обычно используемая для решения этой проблемы, особенно на более высоких частотах, представляет собой волновод с гораздо меньшими потерями. Это не только дороже, но и намного громоздче и тяжелее, что является серьезным недостатком при использовании самолетов. Другой вариант, менее громоздкий, но с меньшими потерями, чем микрополосковый, — это волновод, интегрированный в подложку . ^[16]

Приложения

Типичное использование матриц Батлера - это базовые станции мобильных сетей , чтобы лучи были направлены на мобильных пользователей. ^[17]

Линейные антенные решетки, управляемые матрицами Батлера или какой-либо другой сетью формирования луча, для создания сканирующего луча используются в приложениях пеленгации . Они важны для систем военного оповещения и определения местоположения целей. ^[18] Они особенно полезны в военно-морских системах из-за широкого углового охвата, который можно получить. ^[19] Еще одна особенность, которая делает матрицы Батлера привлекательными для военного применения, — это их скорость по сравнению с механическими системами сканирования. Это необходимо, чтобы обеспечить время стабилизации для сервоприводов . ^[20]

Примеры

матрица 2х2

Матрица 4×4

Реализация в микрополосках

Матрица 8×8

Анализ

Линейная антенная решетка будет формировать луч, перпендикулярный линии элементов (широкий луч), если все они подаются в фазе. Если они питаются с изменением фазы между элементами

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

тогда будет создан луч в направлении линии (конечный луч). Использование промежуточного значения фазового сдвига между элементами позволит получить луч под некоторым промежуточным углом между этими двумя крайностями. ^[28] В матрице Батлера фазовый сдвиг каждого луча производится

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

а угол между внешними лучами определяется выражением

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

Выражение показывает, что уменьшается с увеличением частоты. Этот эффект называется лучевым косоглазием . И матрица Бласса, и матрица Батлера страдают от косоглазия луча, и этот эффект ограничивает достижимую полосу пропускания. ^[29] Другим нежелательным эффектом является то, что чем дальше луч отходит от линии визирования (широкий луч), тем ниже пиковое поле луча. ^[30] ${\displaystyle \theta }$

Общее количество требуемых блоков составляет

${\displaystyle {n \over 2}\log _{2}n}$гибриды и,

${\displaystyle {n \over 2}(\log _{2}n-1)}$фиксированные фазовращатели. ^[31]

Так как всегда степень 2, то можно положить , то необходимое количество гибридов и фазовращателей . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n=2^{m}}$ ${\displaystyle 2^{m-1}m}$ ${\displaystyle 2^{m-1}(m-1)}$

Используемые символы

${\displaystyle n}$количество антенных элементов, равное количеству портов луча

${\displaystyle d}$расстояние между элементами антенны

${\displaystyle k}$порядковый номер антенного порта

${\displaystyle \lambda }$длина волны

${\displaystyle f}$частота

${\displaystyle \phi }$сдвиг фазы

${\displaystyle \theta }$угол

${\displaystyle c}$скорость света

Ортогональность

Чтобы быть ортогональными (то есть не мешать друг другу), формы лучей должны соответствовать критерию Найквиста ISI , но с расстоянием в качестве независимой переменной, а не времени. Предполагая форму луча с функцией sinc , лучи должны быть расположены так, чтобы их пересечение происходило при их пиковом значении (около 4 дБ вниз). ^[32] ${\displaystyle 2/\pi }$

Смотрите также

• радиочастотный переключатель

Рекомендации

1. Йозефссон и Перссон, с. 370
2. Липский, с. 130
3. Иннок и др. , п. 1
4. Липский, с. 129
5. Липский, с. 130
6. Липский, с. 130
7. Йозефссон и Перссон, стр. 371-372.
8. Фудзимото, стр. 199-200.
9. Миллиган, с. 594
10. Йозефссон и Перссон, с. 371
11. Йозефссон и Перссон, с. 372
12. Комитанджело и др. , п. 2127-2128 гг.
13. Иннок и др. , стр. 2, 5, 7
14. Комитанджело и др. , п. 2128
15. Цзых-Гуанг и др. , п. 107
16. Стердивант и Харрис, с. 225
17. Баланис и Иоаннидес, стр. 39-40.
18. Пуазель, стр. 168-174.
19. Липский, с. 129
20. Пуазель, с. 169
21. Пуазель, с. 269
22. Пуазель, с. 269
23. • Баланис и Панайотис, с. 41
    • Пойзель, с. 173
24. Пуазель, с. 173
25. Иннок и др. , стр. 5, 7
26. • Липский, с. 131
    • Фудзимото, с. 200
27. Липский, с. 131
28. Липский, с. 130
29. Хаупт, с. 85
30. Пуазель, стр. 173-174.
31. Баланис и Иоаннидес, с. 41
32. Пуазель, с. 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 лучам», Отчет Международной конвенции IRE 1958 года , 1966 год.
• Батлер, Дж.; Лоу, Р., «Проектирование матриц формирования луча, упрощающих конструкцию антенн с электрическим сканированием», Electronic Design , 1961.
• Комитанджело, Р.; Минервини, Д.; Пиовано, Б., «Сети формирования луча оптимального размера и компактности для многолучевых антенн на частоте 900 МГц», Международный симпозиум IEEE Antennas and Propagation Society, 1997 , vol. 4, стр. 2127-2130, 1997.
• Фудзимото, Кёхей, Справочник по мобильным антенным системам , Artech House, 2008 ISBN 9781596931275 . 
• Хаупт, Рэнди Л., Временные решетки: широкополосные и изменяющиеся во времени антенные решетки , Wiley, 2015 ISBN 9781118860144 . 
• Иннок, Апинья; Утансакул, Пирапонг; Утансакул, Монтиппа, «Техника углового формирования 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 проектирование конформных антенных решеток , Wiley, 2006 ISBN 9780471780113 . 
• Липски, Стивен Э., Пассивная микроволновая пеленгация , SciTech Publishing, 2004 ISBN 9781891121234 . 
• Миллиган, Томас А., Современный дизайн антенны , Wiley, 2005 ISBN 9780471720607 . 
• Пойзель, Ричард, Методы определения местоположения целей радиоэлектронной борьбы , Artech House, 2012 ISBN 9781608075232 . 
• Стердивант, Рик; Харрис, Майк, Модули приема-передачи для радиолокационных систем и систем связи , Artech House, 2015 ISBN 9781608079803 . 
• Цзы-Гуанг Ма, Чао-Вэй Ван, Чи-Хуэй Лай, Ин-Ченг Ценг, Синтезированные линии передачи , Wiley, 2017 ISBN 9781118975725 .