Macierz Butlera

Matryca Butlera to sieć formująca wiązkę używana do zasilania fazowego układu elementów anteny . Jego celem jest kontrolowanie kierunku wiązki lub wiązek transmisji radiowej . Składa się z $potęga$ ( pewna $dwójki$ ) ze sprzęgaczami hybrydowymi przesuwnikami fazowymi o stałej wartości . Urządzenie ma $wejściowe$ (porty wiązki), do których doprowadzane jest zasilanie, oraz porty $($ porty elementów), do których $podłączone są$ anteny. Matryca Butlera zasila elementy z progresywną różnicą faz między elementami, tak że wiązka transmisji radiowej jest skierowana w pożądanym kierunku. Kierunek wiązki jest kontrolowany przez przełączenie zasilania na żądany port wiązki. $Więcej$ niż jedna wiązka lub nawet wszystkie nich mogą być aktywowane jednocześnie.

Koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana przez Butlera i Lowe'a w 1961 r. Jest rozwinięciem prac Blassa z 1960 r. Jej przewagą nad innymi metodami kształtowania wiązki kątowej jest prostota sprzętu. Wymaga znacznie mniej przesuwników fazowych niż inne metody i może być zaimplementowany w mikropasku na taniej płytce drukowanej .

anteny

Elementy anteny zasilane przez matrycę Butlera to zazwyczaj anteny tubowe przy częstotliwościach mikrofalowych , przy których zwykle stosuje się matryce Butlera. Rogi mają ograniczoną szerokość pasma i można zastosować bardziej złożone anteny, jeśli wymagana jest więcej niż oktawa . Elementy są zwykle ułożone w szyk liniowy . Matryca Butlera może również zasilać układ kołowy, zapewniając pokrycie 360°. $okrągłym$ układem anten jest wytwarzanie dookólnych z ortogonalnymi trybami fazowymi, tak aby wiele stacji ruchomych mogło jednocześnie korzystać z tej samej częstotliwości, z których każda używa innego trybu fazowego. Okrągły układ anten może być wykonany tak, aby jednocześnie wytwarzał wiązkę dookólną i wiele wiązek kierunkowych, gdy jest podawany przez dwie matryce Butlera jeden po drugim.

Matryce Butlera mogą być używane zarówno z nadajnikami, jak i odbiornikami. Ponieważ są pasywne i wzajemne , ta sama matryca może pełnić obie funkcje – na przykład w nadajniku-odbiorniku . Mają one tę korzystną właściwość, że w trybie nadawania dostarczają pełną moc nadajnika do wiązki, aw trybie odbioru zbierają sygnały z każdego z kierunków wiązki przy pełnym wzmocnieniu układu antenowego.

składniki

Podstawowymi komponentami potrzebnymi do zbudowania macierzy Butlera są sprzęgacze hybrydowe i przesuwniki fazowe o stałej wartości . Dodatkowo, precyzyjna kontrola kierunku wiązki może być zapewniona za pomocą zmiennych przesuwników fazowych oprócz stałych przesuwników fazowych. Używając zmiennych przesuwników fazowych w połączeniu z przełączaniem zasilania do portów wiązki, można uzyskać ciągłe przemiatanie wiązki.

Dodatkowym elementem, który można zastosować, jest płaski obwód z elementami rozproszonymi z przeplotem . Obwody mikrofalowe są często produkowane w formacie planarnym zwanym mikropaskowym . Linie, które muszą się krzyżować, są zazwyczaj realizowane jako mosty powietrzne . Są one nieodpowiednie do tego zastosowania, ponieważ nieuchronnie występuje pewne sprzężenie między skrzyżowanymi liniami. Alternatywą, która pozwala na zaimplementowanie macierzy Butlera w całości w obwodu drukowanego , a więc bardziej ekonomicznie, jest zwrotnica w postaci łącznika linii rozgałęźnej . Sprzęgacz krosowy odpowiada dwóm sprzęgaczom hybrydowym 90° połączonym kaskadowo . Spowoduje to dodanie dodatkowego przesunięcia fazowego o 90° do przecinanych linii, ale można to skompensować, dodając równoważną wartość do przesuwników fazowych w nieprzecinanych liniach. Idealne rozgałęzienie linii rozgałęzionej teoretycznie nie ma sprzężenia między dwiema ścieżkami przez nią przechodzącymi. W tego rodzaju realizacji przesuwniki fazowe są zbudowane jako linie opóźniające o odpowiedniej długości. To tylko meandrująca linia na obwodzie drukowanym.

Mikropaskowa jest tania, ale nie nadaje się do wszystkich zastosowań. Gdy występuje duża liczba elementów antenowych, ścieżka przez macierz Butlera przechodzi przez dużą liczbę hybryd i przesuwników fazowych. Skumulowana utrata wtrąceniowa wszystkich tych elementów w mikropasku może sprawić, że będzie to niepraktyczne. Technologią zwykle używaną do przezwyciężenia tego problemu, zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach, jest falowód , który jest znacznie mniej stratny. Jest to nie tylko droższe, ale także znacznie bardziej nieporęczne i cięższe, co jest główną wadą w przypadku samolotów. Innym wyborem, który jest mniej nieporęczny, ale wciąż mniej stratny niż mikropaskowy, jest falowód zintegrowany z podłożem .

Aplikacje

Typowym zastosowaniem macierzy Butlera są stacje bazowe sieci komórkowych , aby wiązki były skierowane w stronę użytkowników mobilnych.

Liniowe układy anten napędzane przez matryce Butlera lub inną sieć tworzącą wiązkę w celu wytworzenia wiązki skanującej są używane w aplikacjach do wyszukiwania kierunku . Są ważne dla wojskowych systemów ostrzegania i lokalizacji celu. Są szczególnie przydatne w systemach morskich ze względu na szerokie pokrycie kątowe, które można uzyskać. Kolejną cechą, która sprawia, że matryce Butlera są atrakcyjne do zastosowań wojskowych, jest ich szybkość w porównaniu z mechanicznymi systemami skanującymi. Muszą one umożliwić ustawienie czasu dla serwomechanizmów .

Przykłady

macierz 2x2

Schemat macierzy 2×2

Wzór wiązki wytwarzany przez matrycę 2x2

Matryca 4×4

Schemat matrycy 4×4

Wzór wiązki wytwarzany przez matrycę 4x4

Implementacja w mikropasku

Matryca Butlera 2,4 GHz 4 × 4 w mikropasku

Identyfikacja bloków obwodów w macierzy 4×4

Matryca 8×8

Schemat matrycy 8×8

Wzór wiązki wytwarzany przez matrycę 8x8

Analiza

Liniowy układ anten wytworzy wiązkę prostopadłą do linii elementów (wiązka burta), jeśli wszystkie są zasilane w fazie. Jeśli są one zasilane przemianą fazową między elementami

{\ Displaystyle 2 \ pi re \ nad \ lambda}

wówczas zostanie wyprodukowana wiązka w kierunku linii (wiązka końca ognia). Użycie pośredniej wartości przesunięcia fazowego między elementami spowoduje wytworzenie wiązki pod pewnym kątem pośrednim między tymi dwoma skrajnościami. W macierzy Butlera dokonuje się przesunięcia fazowego każdej wiązki

{\ Displaystyle \ fi = {\ Frac {(2k-1) \ pi} {n}} \}

a kąt między belkami zewnętrznymi jest określony wzorem

{\ Displaystyle \ theta = 2 \ arcsin \ lewo [{\ Frac {c} {2df}} \ lewo (1- {1 \ nad n} \ prawej) \ prawej] \ .}

Wyrażenie pokazuje, że $częstotliwości$ . Efekt ten nazywany jest zezem wiązkowym . Zarówno macierz Blassa, jak i matryca Butlera cierpią na zeza wiązki, a efekt ogranicza szerokość pasma, którą można osiągnąć. Innym niepożądanym efektem jest to, że im dalej wiązka znajduje się poza wziernikiem (wiązka burtowa), tym mniejsze jest pole szczytowe wiązki.

Całkowita liczba wymaganych bloków obwodów to

{\ Displaystyle {n \ ponad 2} \ log _ {2} n}

hybrydy i

{\ Displaystyle {n \ ponad 2} (\ log _ { 2}n-1)}

stałych przesuwników fazowych.

Ponieważ $n} jest$ ${\ displaystyle 2 ^ {m-1} m}$ $1$ , możemy pozwolić , wymagana liczba hybryd wynosiła i przesuwniki fazowe ${\ Displaystyle 2 ^ {m-1} (m-1)}$ .

$k}$ numer indeksu portu anteny
symbole: $odległość$ elementów anteny równa liczbie portów wiązki; między elementami anteny $\ Displaystyle$; ${\ Displaystyle \ lambda}$ długość fali; ${ \ Displaystyle f}$ częstotliwość; ${\ Displaystyle \ phi}$ przesunięcie fazowe; ${\ Displaystyle \ theta}$ kąt do; $\ Displaystyle c}$ prędkość światła

Ortogonalność

Aby były ortogonalne (to znaczy nie kolidowały ze sobą), kształty wiązek muszą spełniać kryterium ISI Nyquista , ale z odległością jako zmienną niezależną, a nie z czasem. Zakładając funkcji sinc , wiązki muszą być rozmieszczone w taki sposób, aby ich skrzyżowania występowały przy $4$ (około dB w dół).

Zobacz też

Przełącznik radiowy

Bibliografia

Balanis, Konstantyn A.; Ioannides, Panayiotis I., Wprowadzenie do inteligentnych anten , Morgan & Claypool, 2007 ISBN 9781598291766 .
Blass, J., „Antena wielokierunkowa - nowe podejście do ułożonych wiązek” , 1958 IRE International Convention Record , 1966.
Butler, J.; Lowe, R., „Matryca formująca wiązkę upraszcza projektowanie elektrycznie skanowanych anten”, Electronic Design , 1961.
Comitangelo R.; Minervini, D.; Piovano, B., „Sieci tworzące wiązkę o optymalnej wielkości i zwartości dla anten wielowiązkowych przy 900 MHz” , IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997 , tom. 4, s. 2127-2130, 1997.
Fujimoto, Kyohei, Podręcznik systemów anten mobilnych , Artech House, 2008 ISBN 9781596931275 .
Haupt, Randy L., Tablice czasowe: szerokopasmowe i zmienne w czasie tablice antenowe , Wiley, 2015 ISBN 9781118860144 .
Innok, Apinya; Uthansakul, Peerapong; Uthansakul, Monthippa, „Technika kątowego kształtowania wiązki dla systemu kształtowania wiązki MIMO” , International Journal of Antennas and Propagation , tom. 2012, wyd. 11 grudnia 2012 r.
Josefsson, Lars; Persson, Patrik, Teoria i konstrukcja anteny konformalnej , Wiley, 2006 ISBN 9780471780113 .
Lipsky, Stephen E., Pasywne wykrywanie kierunku mikrofalowego , SciTech Publishing, 2004 ISBN 9781891121234 .
Milligan, Thomas A., Nowoczesna konstrukcja anteny , Wiley, 2005 ISBN 9780471720607 .
Poisel, Richard, Electronic Warfare Target Location Methods , Artech House, 2012 ISBN 9781608075232 .
Wytrzymały, Rick; Harris, Mike, Moduły nadawcze i odbiorcze dla systemów radarowych i komunikacyjnych , Artech House, 2015 ISBN 9781608079803 .
Tzyh-Ghuang Ma, Chao-Wei Wang, Chi-Hui Lai, Ying-Cheng Tseng, Syntetyzowane linie przesyłowe , Wiley, 2017 ISBN 9781118975725 .