（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

宽带巴特勒矩阵及其潜在应用

刘伟，迈可博

巴特勒矩阵是给相控阵天线单元馈电的无源波束赋形网络。一直以来由于元器件发展水平的限制，导致市场上缺乏高精度的宽带巴特勒矩阵产品。本文探讨了影响巴特勒矩阵带宽和性能的因素，并重点介绍了实现一系列宽带和高相位精度的巴特勒矩阵所需的技术和产品的突破。除此之外，本文还分享了对产品潜在应用的见解并邀请读者共同探讨这些产品的其它应用案例。

波束赋形网络

波束赋形网络是相控阵技术不可或缺的一部分，因为它们可以为相控阵天线单元提供馈电。实现波束赋形网络的主要途径有两种：有源和无源。

有源波束赋形网络

有源波束赋形网络由功率分配器/合成器、数控移相器和衰减器组成，如图1中的框图所示。这种网络的关键优势在于能够实现连续波束扫描，该功能主要通过数控移相器和衰减器来实现，且通常移相器和衰减器都拥有较宽的带宽。

图1：有源波束赋形馈电网络

目前市场上可获得的移相器和衰减器典型的最大控制位数一般为6bits，人们可以通过不同控制位数值的组合来实现对幅度和相位的设置。移相器和衰减器的相对带宽则随频段的变化而不同，但通常限制在如下的水平：S和C波段通常为75%（2.4-5.1GHz）；C、X和Ku波段为100%（6-18GHz）；Ka波段为23%（24-29.5GHz），具体信息可以参考MACOM和ADI的网站。

然而，这种技术也存在一些缺点。数控移相器和衰减器需要复杂的控制电路，包括数模转换器（DAC）以及逻辑控制电路。此外，还需要一个强大的供电网络、有效的散热和温度补偿电路来保持稳定的电路性能。除了这些挑战之外，现有可查询到的器件带宽最多只能达到100%的相对带宽。

无源波束赋形网络：巴特勒矩阵

相比之下，巴特勒矩阵是给相控阵天线单元馈电的完整的无源波束赋形网络。它由电桥和固定移相器组成的N×N矩阵构成，其中N是2的幂次方。该器件由N个加信号的输入端口（波束端口）和N个连接到天线单元的输出端口（单元端口）组成。它能够使信号在N个输入口的任意一个口和N个输出口的任意一个口之间进行互易传输，因此在同一时刻巴特勒矩阵可作为发射和接收系统同时工作。

巴特勒矩阵的2次幂的要求意味着4x4、8x8和16x16是典型的结构。图2展示了4x4结构，表1展示了四个输出端口之间的相位关系。

图2：4×4巴特勒矩阵配置

图3展示了8x8巴特勒矩阵结构。这种结构增加了另一级90°电桥，以及67.5°和22.5°固定移相器。表2展示了八个输出端口之间的相位关系。请注意，相邻输出口之间的相位关系保持不变。

图3：8×8巴特勒矩阵配置

图4展示的是16×16结构，有四级电桥。这种结构之所以引人注目，是因为它使用了180°和90°电桥，而且没有移相器。这种拓扑结构的相位关系如表3所示。

图4：16×16巴特勒矩阵配置

通过这些直观的图示，我们可以深入了解矩阵的结构和功能。与有源相控阵波束赋形网络相比，无源巴特勒矩阵具有简单直接的交叉矩阵结构，可确保高的精度、稳定的性能和更高的通道功率处理能力和较低的成本。然而，由于元器件带宽的限制，要实现宽的带宽和更高相位控制精度一直是行业面临的挑战。影响巴特勒矩阵带宽和性能的因素与基于传输线的无源器件的设计密切相关。在巴特勒矩阵中，元器件之间通过传输线相连，对于传输线而言，电磁波的频率与相位存在线性关系。如电路结构所示，随着巴特勒矩阵中输入和输出端口数量的增加，互连的复杂性和潜在连接长度也会增加。

举例来说，0-360°范围内的绝对相位精度为±5°，这意味着传输线的最大相对频率带宽为2.78%。或者，对于5%的相对频率带宽，潜在的相位精度误差可能为±9°，而对于10%的相对频率带宽，误差可能为±18°。从常规角度看，在5°相位精度范围内实现超过2.78%的相对频率带宽，或在10%的相对频率带宽内实现低于18°的相位精度，即使不是不可能，也是颇具挑战性的。

这强调了一个关键点：要实现宽的带宽，每个元器件都必须支持宽的带宽和所需的相位精度，并且必须在非常狭窄的范围内仔细控制每个路径的电气长度误差。这些特性中的任何偏差都会导致在宽的频率范围内出现显著的相位变化，从而带来严峻的技术挑战。正是由于这些挑战，迄今为止，市场上还见不到高相位精度和宽带巴特勒矩阵或波束赋形网络。

迈可博一直致力于开发宽带、高精度巴特勒矩阵所需的三个方面的技术：宽带电桥、宽带无源移相器和精确相位匹配的电缆组件。迈可博利用仿真和优化工具，结合先进的制造工艺，成功开发了一系列高性能的宽带产品。产品中值得一提的有最大相位误差为6°的0.6-18GHz 90°电桥，以及一系列2.4-7.25GHz的无源移相器。此外，还推出了8根一组的成套电缆组件，这些组件每组在28GHz拥有±2°相位匹配指标。

潜在应用

目前有大量的研发工作和项目旨在扩展波束赋形技术的应用。该技术领域的创新为5G、6G、Wi-Fi、物联网、无人驾驶汽车、移动通信、卫星通信、测试和雷达应用等领域的各种机会提供了优势。宽带高精度巴特勒矩阵波束赋形网络的实现将推动各种应用的发展。

相控阵天线波束赋形馈电网络

相控阵天线的波束赋形馈电网络是最首当其冲的应用。迈可博巴特勒矩阵可在0.6-7.25GHz的频率带宽内以简单的结构实现性能稳定的波束赋形馈电，而有源馈电网络却很难在如此宽的频率带宽内实现令人满意的性能。由于巴特勒矩阵采用了无源器件，故而提供了一种低成本却具有高功率处理能力的馈电解决方案。这些器件可处理高达20W的功率。这一系列特性使巴特勒矩阵成为这些应用中令人信服的选择。

大规模MIMO系统中的信道模拟器

另一项前景广阔的应用是在大规模MIMO系统中使用巴特勒矩阵作为信道模拟器。它们可以模拟物联网节点、基站和用户之间的通信场景。通过在每个端口上集成衰减器，一种新型网状网络（Mesh Network）应运而生，它能够模拟信号的幅度和相位，超越了传统网状网络的能力。

目标探测与定位

利用信号双向传输能力以及多个端口可以同时馈电的能力，巴特勒矩阵可以用作和差网络以实现目标的探测和定位。这拓展了在各种环境下探测和定位目标的能力。

探索更多应用

宽带高精度巴特勒矩阵波束赋形网络所具有的性能多样性特点暗示着在不同的工业领域内还有更多的应用等着人们去发掘。随着技术的发展，这些网络很可能会找到满足不同行业特定需求的新的应用。

巴特勒矩阵实例

通过开发和集成宽带电桥、无源移相器和相位匹配电缆组件，迈可博已开发了一系列高相位精度的宽带巴特勒矩阵产品。表4列出了部分已交付客户的具有代表性的巴特勒矩阵产品，包括典型的频段和性能指标。

其它巴特勒矩阵结构

目录展示了从超高频到Ka波段的各种解决方案。迈可博已经开发了0.6-5GHz 8×8巴特勒矩阵。这种宽带巴特勒矩阵的相位精度最大为±11°至±14°，幅度不平衡最大为±1.0至±1.2dB，插入损耗最大为12.3至14.5dB，输入/输出端口驻波比最大为1.4:1至1.5:1。如此宽的频率范围满足了5G FR1的要求。

迈可博还开发了2.4-7.25GHz 8×8巴特勒矩阵。8×8巴特勒矩阵的相位精度最大为±6至±8°，幅度不平衡最大为±0.2至±0.4dB，插入损耗最大为9.8至10.8dB，输入/输出端口驻波比最大为1.2:1至1.4:1。这些指标可在2.4至2.5GHz、5.18至5.83GHz和5.9至7.25GHz的Wi-Fi频率范围内同时实现。随着Wi-Fi 6E/7应用开始规模化，这些解决方案对产业界将具有诱人的吸引力。

迈可博巴特勒矩阵产品系列的最新成员是0.6-7.25GHz 8×8的解决方案，可提供±14°的相位精度。迈可博相信：宽带、高相位精度巴特勒矩阵的出现将使无源波束赋形网络在更多领域得到更广泛的应用。

构件性能

综上所述，使用无源波束赋形方案为天线阵馈电具有明显的优势。巴特勒矩阵为这些无源波束赋形需求提供了极佳的解决方案，但这些解决方案的可行性最终由无源器件的性能决定。随着所需的应用带宽增加，解决这些无源器件的宽带性能挑战变得极其重要。

作为宽带巴特勒矩阵构建模块的设计目标示例，图5a展示了2.4-7.25GHz 90°电桥的相位精度性能的设计仿真。图5b展示了对45°移相器相位精度性能的分析。22.5°和67.5°移相器也有类似的性能曲线图表，但为了简短起见，不一一列出。

图5：(a) 2.4-7.25GHz 90°电桥相位精度，(b) 2.4-7.25GHz 45°移相器相位精度

随着频率带宽的增加，相位精度下降不足为奇，但其性能仍然足以满足巴特勒矩阵的需要。图6a展示了0.5-5GHz 90°电桥的模拟相位精度。图6b展示了67.5°移相器（这是所需的最高移相值）的模拟相位精度。

图6：(a) 0.5-5GHz 90°电桥相位精度，(b) 0.5-5GHz 67.5°移相器相位精度

测试结果

仿真结果展示了构建巴特勒矩阵所需基础模块的性能，但实际性能才是更好的说明。图7a展示了2.4~7.25GHz 8×8巴特勒矩阵的输入端口驻波比。图7b展示了同一器件的插入损耗，图7c展示了8×8巴特勒矩阵端口的一些代表性隔离度曲线。

图7：(a) 输入端口驻波比，(b) 输入A1的插入损耗，(c) 端口隔离度

图8：(a) A1输入到输出的幅度平衡，(b) A1输入到输出的相位精度

巴特勒矩阵的S参数信息固然重要，但该设备的功能是将信号路由到需要波束赋形和波束转向的天线端口。正如我们所描述的，相位和幅度不平衡以及精度对于这些应用来说至关重要。图8a展示了2.4-7.25GHz 8x8巴特勒矩阵的一个输入端口与所有输出端口的幅度平衡指标。图8b展示了巴特勒矩阵同一输入端与所有输出端口的相位精度。

结论

越来越多的应用依赖于相控阵天线来提高容量、数据传输速率和功能。这些系统可能会使用有源波束赋形和波束转向架构来实现其性能目标，但这些架构可能会产生成本、功耗和复杂性等方面的问题。无源波束赋形可以实现相同的性能目标，并消除有源波束赋形产生的一些问题。直到最近，构建巴特勒矩阵所需的无源器件还无法实现使这些解决方案对各种应用具有吸引力所需的带宽和相位精度。本文介绍的巴特勒矩阵系列产品、开发工作以及新产品的成果，则有效地解决了限制巴特勒矩阵更广泛应用的带宽和相位精度性能问题。