Una matriz de Butler es una red de formación de haces que se utiliza para alimentar una matriz en fase de elementos de antena . Su propósito es controlar la dirección de un haz, o haces, de transmisión de radio . Consiste en unmatriz de acopladores híbridos y desfasadores de valor fijo donde es una potencia de 2. El dispositivo tiene puertos de entrada (los puertos de haz) a los que se aplica energía, y puertos de salida (los puertos del elemento) a los que los elementos de la antena están conectados. La matriz de Butler alimenta los elementos con una diferencia de fase progresiva entre los elementos, de modo que el haz de transmisión de radio está en la dirección deseada. La dirección del haz se controla cambiando la energía al puerto de haz deseado. Más de un haz, o incluso todos de ellos se pueden activar simultáneamente.
El concepto fue propuesto por primera vez por Butler y Lowe en 1961. [1] Es un desarrollo del trabajo de Blass en 1960. [2] Su ventaja sobre otros métodos de formación de haces angulares es la simplicidad del hardware. Requiere muchos menos desplazadores de fase que otros métodos y se puede implementar en microbanda en una placa de circuito impreso de bajo costo . [3]
Antenas
Los elementos de antena alimentados por una matriz de Butler suelen ser antenas de cuerno en las frecuencias de microondas en las que se suelen utilizar las matrices de Butler. [4] Las bocinas tienen un ancho de banda limitado y se pueden usar antenas más complejas si se requiere más de una octava . [5] Los elementos se organizan comúnmente en una matriz lineal . [6] Una matriz Butler también puede alimentar una matriz circular dando una cobertura de 360 °. Otra aplicación con un conjunto de antenas circulares es producir Haces omnidireccionales con modos de fase ortogonales para que múltiples estaciones móviles puedan usar simultáneamente la misma frecuencia, cada una usando un modo de fase diferente. [7] Se puede hacer una matriz circular de antenas para producir simultáneamente un haz omnidireccional y múltiples haces direccionales cuando se alimentan a través de dos matrices Butler consecutivas. [8]
Las matrices Butler se pueden utilizar tanto con transmisores como con receptores. Dado que son pasivos y recíprocos , la misma matriz puede hacer ambas cosas, en un transceptor, por ejemplo. Tienen la propiedad ventajosa de que, en el modo de transmisión, entregan toda la potencia del transmisor al haz, y en el modo de recepción, recogen señales de cada una de las direcciones del haz con la ganancia total del conjunto de antenas. [9]
Componentes
Los componentes esenciales necesarios para construir una matriz Butler son acopladores híbridos y cambiadores de fase de valor fijo . Además, se puede proporcionar un control preciso de la dirección del haz con desfasadores variables además de los desfasadores fijos. [10] Al utilizar los desfasadores variables en combinación con la conmutación de la energía a los puertos del haz, se puede producir un barrido continuo del haz. [11]
Un componente adicional que se puede utilizar es un circuito de elemento distribuido cruzado plano . Los circuitos de microondas a menudo se fabrican en el formato plano llamado microcinta . Las líneas que deben cruzarse entre sí se implementan típicamente como un puente aéreo . Estos no son adecuados para esta aplicación porque inevitablemente existe algún acoplamiento entre las líneas que se cruzan. [12] Una alternativa que permite que la matriz de Butler se implemente completamente en forma de circuito impreso y, por lo tanto, de manera más económica, es un cruce en forma de acoplador de derivación . [13] El acoplador cruzado es equivalente a dos acopladores híbridos de 90 ° conectados en cascada . Esto agregará un cambio de fase adicional de 90 ° a las líneas que se cruzan, pero esto se puede compensar agregando una cantidad equivalente a los cambios de fase en las líneas que no se cruzan. En teoría, un cruce ideal de ramales no tiene acoplamiento entre las dos rutas que lo atraviesan. [14] En este tipo de implementación, los desplazadores de fase se construyen como líneas de retardo de la longitud adecuada. Esta es solo una línea serpenteante en el circuito impreso. [15]
Microstrip es económico, pero no es adecuado para todas las aplicaciones. Cuando hay una gran cantidad de elementos de antena, el camino a través de la matriz de Butler pasa por una gran cantidad de híbridos y desfasadores. La pérdida de inserción acumulativa de todos estos componentes en la microbanda puede hacer que no sea práctico. La tecnología generalmente utilizada para superar este problema, especialmente en las frecuencias más altas, es la guía de ondas, que tiene muchas menos pérdidas. Esto no solo es más caro, también es mucho más voluminoso y pesado, lo que es un gran inconveniente para el uso de aviones. Otra opción que es menos voluminosa, pero aún con menos pérdidas que la microbanda, es la guía de ondas integrada en el sustrato . [dieciséis]
Aplicaciones
Un uso típico de las matrices de Butler es en las estaciones base de las redes móviles para mantener los haces apuntando hacia los usuarios móviles. [17]
Las matrices de antenas lineales impulsadas por matrices Butler, o alguna otra red de formación de haces, para producir un haz de exploración se utilizan en aplicaciones de radiogoniometría . Son importantes para los sistemas de alerta militar y la ubicación de los objetivos. [18] Son especialmente útiles en sistemas navales debido a la amplia cobertura angular que se puede obtener. [19] Otra característica que hace que las matrices Butler sean atractivas para aplicaciones militares es su velocidad sobre los sistemas de escaneo mecánico. Estos deben permitir el tiempo de estabilización de los servos . [20]
Ejemplos de
Matriz 2x2
Matriz 4 × 4
Implementación en microstrip
Matriz 8 × 8
Análisis
Un conjunto de antenas lineales producirá un haz perpendicular a la línea de elementos (haz lateral) si todos se alimentan en fase. Si se alimentan con un cambio de fase entre elementos de
entonces se producirá un rayo en la dirección de la línea (rayo de fuego). El uso de un valor intermedio de desplazamiento de fase entre elementos producirá un haz en algún ángulo intermedio entre estos dos extremos. [28] En una matriz de Butler, el cambio de fase de cada haz se realiza
y el ángulo entre las vigas exteriores está dado por
La expresión muestra que disminuye al aumentar la frecuencia. Este efecto se llama estrabismo de haz . Tanto la matriz de Blass como la matriz de Butler sufren de estrabismo de haz y el efecto limita el ancho de banda que se puede lograr. [29] Otro efecto indeseable es que cuanto más lejos está un haz de puntería (haz de costado), más bajo es el campo de pico del haz. [30]
El número total de bloques de circuitos necesarios es
- híbridos y,
- Desplazadores de fase fijos. [31]
Desde es siempre una potencia de 2, podemos dejar , entonces el número requerido de híbridos es y cambiadores de fase .
- Símbolos utilizados
- número de elementos de antena, igual al número de puertos de haz
- distancia entre elementos de antena
- número de índice del puerto de la antena
- longitud de onda
- frecuencia
- cambio de fase
- ángulo
- velocidad de la luz
Ortogonalidad
Para ser ortogonales (es decir, no interferir entre sí), las formas del haz deben cumplir con el criterio ISI de Nyquist , pero con la distancia como variable independiente en lugar del tiempo. Suponiendo una forma de viga de función sinc , las vigas deben estar espaciadas de modo que sus cruces ocurran ende su valor pico (alrededor de 4 dB por debajo). [32]
Ver también
- Interruptor de RF
Referencias
- ^ Josefsson y Persson, p. 370
- ^ Lipsky, pág. 130
- ^ Innok y col. , pag. 1
- ^ Lipsky, pág. 129
- ^ Lipsky, pág. 130
- ^ Lipsky, pág. 130
- ^ Josefsson y Persson, págs. 371-372
- ^ Fujimoto, págs. 199-200
- ^ Milligan, pág. 594
- ^ Josefsson y Persson, p. 371
- ^ Josefsson y Persson, p. 372
- ^ Comitangelo y col. , pag. 2127-2128
- ^ Innok y col. , págs.2, 5, 7
- ^ Comitangelo y col. , pag. 2128
- ^ Tzyh-Ghuang y col. , pag. 107
- ^ Sturdivant y Harris, p. 225
- ^ Balanis y Ioannides, págs. 39-40
- ^ Poisel, págs.168-174
- ^ Lipsky, pág. 129
- ^ Poisel, pág. 169
- ^ Poisel, pág. 269
- ^ Poisel, pág. 269
- ^ Balanis y Panayiotis, p. 41
- Poisel, pág. 173
- ^ Poisel, pág. 173
- ^ Innok y col. , págs.5, 7
- ^ Lipsky, pág. 131
- Fujimoto, pág. 200
- ^ Lipsky, pág. 131
- ^ Lipsky, pág. 130
- ^ Haupt, pág. 85
- ^ Poisel, págs. 173-174
- ^ Balanis y Ioannides, p. 41
- ^ Poisel, pág. 168
Bibliografía
- Balanis, Constantine A .; Ioannides, Panayiotis I., Introducción a las antenas inteligentes , Morgan & Claypool, 2007 ISBN 9781598291766 .
- Blass, J., "Antena multidireccional: un nuevo enfoque para los haces apilados" , IRE International Convention Record de 1958 , 1966.
- Butler, J .; Lowe, R., "Diseño de simplificadores de matriz de formación de haces de antenas escaneadas eléctricamente", Diseño electrónico , 1961.
- Comitangelo, R .; Minervini, D .; Piovano, B., "Redes formadoras de haces de tamaño y compacidad óptimos para antenas multihaz a 900 MHz" , IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997 , vol. 4, págs. 2127-2130, 1997.
- Fujimoto, Kyohei, Manual de sistemas de antenas móviles , Artech House, 2008 ISBN 9781596931275 .
- Haupt, Randy L., Matrices temporizadas: matrices de antenas de banda ancha y de tiempo variable , Wiley, 2015 ISBN 9781118860144 .
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- Josefsson, Lars; Persson, Patrik, Teoría y diseño de antenas de matriz conformada , Wiley, 2006 ISBN 9780471780113 .
- Lipsky, Stephen E., Hallazgo de dirección pasiva por microondas , SciTech Publishing, 2004 ISBN 9781891121234 .
- Milligan, Thomas A., Diseño moderno de antenas , Wiley, 2005 ISBN 9780471720607 .
- Poisel, Richard, Métodos de localización de objetivos de guerra electrónica , Artech House, 2012 ISBN 9781608075232 .
- Sturdivant, Rick; Harris, Mike, Módulos de recepción de transmisión para sistemas de comunicación y radar , Artech House, 2015 ISBN 9781608079803 .
- Tzyh-Ghuang Ma, Chao-Wei Wang, Chi-Hui Lai, Ying-Cheng Tseng, líneas de transmisión sintetizadas , Wiley, 2017 ISBN 9781118975725 .