Macierz Butlera - Butler matrix

Butler matryca jest kształtowanie wiązki sieci wykorzystywane do przesyłania stopniowe tablicę z anteny elementów . Jego celem jest sterowanie kierunkiem wiązki lub wiązek transmisji radiowej . Składa się z matrycy sprzęgaczy hybrydowych i przesuwników fazowych o stałej wartości, gdzie jest pewna moc 2. Urządzenie posiada porty wejściowe (porty wiązki), do których doprowadzane jest zasilanie oraz porty wyjściowe (porty elementów), do których są podłączone elementy antenowe. połączony. Macierz Butlera zasila elementy z progresywną różnicą faz między elementami tak, że wiązka transmisji radiowej jest skierowana w żądanym kierunku. Kierunek wiązki jest kontrolowany przez przełączenie zasilania na żądany port wiązki. Więcej niż jedna wiązka, a nawet wszystkie mogą być aktywowane jednocześnie. ${\displaystyle n\razy n}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle n}$

Koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana przez Butlera i Lowe w 1961 roku. Jest rozwinięciem pracy Blassa z 1960 roku. Jej przewagą nad innymi metodami kątowego kształtowania wiązki jest prostota sprzętu. Wymaga znacznie mniej przesuwników fazowych niż inne metody i może być zaimplementowana w formie mikropaskowej na taniej płytce drukowanej .

Anteny

Elementy antenowe zasilane przez matrycę Butlera są typowo antenami tubowymi na częstotliwościach mikrofalowych, przy których matryce Butlera są zwykle używane. Rogi mają ograniczoną przepustowość i mogą być używane bardziej złożone anteny, jeśli wymagana jest więcej niż oktawa . Elementy są zwykle ułożone liniowo . Matryca Butlera może również zasilać szyk kołowy, zapewniając pokrycie 360°. Kolejnym zastosowaniem z kołowym układem antenowym jest wytwarzanie wiązek dookólnych z ortogonalnymi trybami fazy, tak aby wiele stacji ruchomych mogło jednocześnie korzystać z tej samej częstotliwości, z których każda wykorzystuje inny tryb fazy. Okrągły szyk antenowy może być wykonany tak, aby jednocześnie wytwarzał wiązkę dookólną i wiele wiązek kierunkowych, gdy jest podawany przez dwie macierze Butlera tył do siebie. ${\ Displaystyle n}$

Matryce Butlera mogą być używane zarówno z nadajnikami, jak i odbiornikami. Ponieważ są one pasywne i wzajemne , ta sama matryca może robić obie te rzeczy – na przykład w transceiverze . Mają one tę zaletę, że w trybie nadawania dostarczają do wiązki pełną moc nadajnika, a w trybie odbioru zbierają sygnały z każdego kierunku wiązki z pełnym wzmocnieniem szyku antenowego.

składniki

Podstawowymi elementami potrzebnymi do zbudowania macierzy Butlera są sprzęgacze hybrydowe i przesuwniki fazowe o stałej wartości . Dodatkowo, dokładną kontrolę kierunku wiązki można zapewnić za pomocą zmiennych przesuwników fazowych oprócz stałych przesuwników fazowych. Stosując zmienne przesuwniki fazowe w połączeniu z przełączaniem zasilania do portów wiązki, można uzyskać ciągłe przemiatanie wiązki.

Dodatkowy składnik, który można zastosować, jest płaska zwrotnicy rozproszonych elementów obwodu . Obwody mikrofalowe są często produkowane w formacie planarnym zwanym mikropaskiem . Linie, które muszą się przecinać, są zazwyczaj realizowane jako mosty powietrzne . Są one nieodpowiednie do tego zastosowania, ponieważ nieuchronnie występuje pewne sprzężenie między przekraczanymi liniami. Alternatywą, która pozwala na zaimplementowanie matrycy Butlera w całości w postaci obwodów drukowanych , a tym samym bardziej ekonomicznie, jest zwrotnica w postaci sprzęgacza odgałęźnego . Sprzęg krzyżowy jest odpowiednikiem dwóch sprzęgów hybrydowych 90° połączonych kaskadowo . Spowoduje to dodanie dodatkowego przesunięcia fazowego o 90° do przecinanych linii, ale można to skompensować przez dodanie równoważnej wartości przesuwników fazowych w liniach, które nie są przecinane. Idealna zwrotnica linii rozgałęźnej teoretycznie nie ma sprzężenia między dwiema ścieżkami. W tego rodzaju realizacji przesuwniki fazowe są skonstruowane jako linie opóźniające o odpowiedniej długości. To tylko meandrująca linia na obwodzie drukowanym.

Microstrip jest tani, ale nie nadaje się do wszystkich zastosowań. W przypadku dużej liczby elementów antenowych ścieżka przez macierz Butlera przechodzi przez dużą liczbę hybryd i przesuwników fazowych. Skumulowane straty wtrąceniowe ze wszystkich tych komponentów w mikropasku mogą sprawić, że będzie to niepraktyczne. Technologią zwykle stosowaną 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 samolotach. Innym wyborem, który jest mniej nieporęczny, ale nadal mniej stratny niż mikropasek, jest falowód zintegrowany z podłożem .

Aplikacje

Typowym zastosowaniem macierzy Butlera jest w stacjach bazowych w sieciach komórkowych , aby utrzymać belek skierowana do użytkowników mobilnych.

Liniowe szyki antenowe napędzane przez matryce Butlera lub inną sieć kształtującą wiązkę, aby wytworzyć wiązkę skanującą, są wykorzystywane w zastosowaniach wyszukiwania kierunku . Są ważne dla wojskowych systemów ostrzegania i lokalizacji celu. Są one szczególnie przydatne w systemach morskich ze względu na duży zasięg kątowy, jaki można uzyskać. Inną cechą, która sprawia, że ​​matryce Butlera są atrakcyjne dla zastosowań wojskowych, jest ich szybkość w porównaniu z mechanicznymi systemami skanowania. Muszą one zapewnić czas ustalania dla serwomechanizmów .

Przykłady

Matryca 2x2

Schemat matrycy 2×2

Wzór wiązki wytworzony przez matrycę 2x2

Matryca 4×4

Schemat matrycy 4×4

Wzór wiązki wytworzony przez matrycę 4x4

Wdrożenie w mikrostrip

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 wytworzony przez matrycę 8x8

Analiza

Liniowy układ antenowy wytworzy wiązkę prostopadłą do linii elementów (wiązka szerokokątna), jeśli wszystkie są zasilane w fazie. Jeśli są zasilane ze zmianą fazy między elementami

${\ Displaystyle 2 \ pi d \ nad \ lambda}$

wtedy zostanie utworzona wiązka w kierunku linii (wiązka końca ognia). Użycie pośredniej wartości przesunięcia fazowego między elementami spowoduje powstanie wiązki pod pewnym kątem pośrednim między tymi dwoma ekstremami. W macierzy Butlera wykonywane jest przesunięcie fazowe każdej wiązki

${\ Displaystyle \ phi = {\ Frac {(2k-1) \ pi {n}} \ ,}$

a kąt między belkami zewnętrznymi jest podany przez

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

Wyrażenie pokazuje, że maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Ten efekt nazywa się zezem wiązką . Zarówno matryca Blassa, jak i matryca Butlera cierpią z powodu zeza wiązki, a efekt ogranicza przepustowość, którą można osiągnąć. Innym niepożądanym efektem jest to, że im dalej wiązka jest poza zasięgiem (wiązka szerokokątna), tym mniejsze jest pole szczytowe wiązki. ${\displaystyle \theta}$

Całkowita liczba wymaganych bloków obwodów wynosi circuit

${\ Displaystyle {n \ ponad 2} \ log _ {2} n}$ hybrydy i,

${\ Displaystyle {n \ ponad 2} (\ log _ {2} n-1)}$ stałe przesuwniki fazowe.

Ponieważ zawsze jest potęga 2, możemy pozwolić , to wymagana jest liczba hybryd i przesuwników fazowych . ${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle n = 2 ^ {m}}$${\ Displaystyle 2 ^ {m-1} m}$${\ Displaystyle 2 ^ {m-1} (m-1)}$

Używane symbole Symbol

${\ Displaystyle n}$ liczba elementów antenowych równa liczbie portów wiązki

${\displaystyle d}$ odległość między elementami antenowymi

${\displaystyle k}$ numer indeksu portu antenowego

${\ Displaystyle \ lambda}$ długość fali

${\displaystyle f}$ częstotliwość

${\displaystyle \phi}$ przesunięcie fazowe

${\displaystyle \theta}$ kąt

${\displaystyle c}$ prędkość światła

Ortogonalność

Aby były ortogonalne (to znaczy nie kolidowały ze sobą), kształty wiązki muszą spełniać kryterium Nyquista ISI , ale z odległością jako zmienną niezależną, a nie z czasem. Zakładając kształt wiązki sinc , wiązki muszą być rozmieszczone w taki sposób, aby ich skrzyżowania występowały w ich wartości szczytowej (około 4 dB w dół). ${\displaystyle 2/\pi}$

Zobacz też

• Przełącznik RF

Bibliografia

Bibliografia

• Balanis, Konstantyn A.; Ioannides, Panayiotis I., Wprowadzenie do inteligentnych anten , Morgan & Claypool, 2007 ISBN  9781598291766 .
• Blass, J., "Antena wielokierunkowa - nowe podejście do wiązek ułożonych w stos" , 1958 IRE International Convention Record , 1966.
• Butler, J.; Lowe, R., "Projektowanie uproszczeń matrycowych kształtujących wiązkę anten skanowanych elektrycznie", Electronic Design , 1961.
• Comitangelo, R.; Minervini, D.; Piovano, B., "Sieci formujące wiązki o optymalnych rozmiarach 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., Timed Arrays: szerokopasmowe i zmienne w czasie macierze antenowe , Wiley, 2015 ISBN  9781118860144 .
• Innok, Apinya; Uthansakul, Peerapong; Uthansakul, Monthippa, „ Kątowa technika kształtowania wiązki dla systemu kształtowania wiązki MIMO” , International Journal of Antennas and Propagation , tom. 2012, wyd. 11 grudnia 2012 r.
• Josefsson, Lars; Persson, Patrik, Conformal Array Antenna Theory and Design , Wiley, 2006 ISBN  9780471780113 .
• Lipsky, Stephen E., Pasywne znajdowanie kierunku mikrofalowego , SciTech Publishing, 2004 ISBN  9781891121234 .
• Milligan, Thomas A., Nowoczesna konstrukcja anteny , Wiley, 2005 ISBN  9780471720607 .
• Poisel, Richard, Metody lokalizacji celu wojny elektronicznej , Artech House, 2012 ISBN  9781608075232 .
• Solidny, Rick; Harris, Mike, Moduły transmisji i odbioru dla radarów i systemów komunikacyjnych , Artech House, 2015 ISBN  9781608079803 .
• Tzyh-Ghuang Ma, Chao-Wei Wang, Chi-Hui Lai, Ying-Cheng Tseng, zsyntetyzowane linie przesyłowe , Wiley, 2017 ISBN  9781118975725 .