Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 11 · ELECTRODYNAMICS

Broadband Butler matrix 4x4 with crossover as a differential phase shifter

A.S. Alekseytsev1, A.P. Gorbachev1, Y. Parshin1

1 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.11.19 UDC 621.396.676 EDN AJOXIX

Abstract

The aim of the work is to develop a broadband beam forming device based on a systems approach. The layout of the 4x4 Butler matrix presented in the work allows minimizing the overall dimensions of the beam forming device. The method used in the work allows you to bypass problems with interference at the nodes of line intersections from opposite sides of the board, thereby eliminating unnecessary capacity coupling. The crossover formed from two sequentially installed directional couplers ensures the absence of a signal at the output, which comes from a galvanic coupled input due to the out-of-phase division. The main electrodynamic characteristics of both the component parts of the beam forming device, such as the directional coupler and crossover, and the entire device as a whole are estimated. The entire design of the Butler matrix is assembled on a dielectric substrate made of domestic material FAF-4D with a relative permittivity of 2.5 and a thickness of 0.3 mm, which is located between two dielectric layers 1.5 mm thick.

  • beam forming device
  • Butler matrix
  • directional coupler
  • crossover
Аннотация (на русском)

Широкополосная матрица Батлера 4х4 с кроссовером в качестве дифференциального фазовращателя

Целью работы является разработка на основе системного подхода к проектированию широкополосного диаграммообразующего устройства. Компоновка матрицы Батлера 4х4, представленная в работе, позволяет минимизировать габаритные размеры диаграммообразующего устройства. Примененный в работе метод позволяет обойти проблемы с наводками в узлах пересечения линий с противоположных сторон платы, исключая тем самым лишнюю емкостную связь. Сформированный из двух последовательно установленных направленных ответвителей кроссовер из-за противофазного деления обеспечивает отсутствие сигнала на выходе, который приходит с гальванически связанного входа. Оценены основные электродинамические характеристики как составных частей диаграммообразующего устройств, таких как направленный ответвитель и кроссовер, так и всего устройства в целом. Вся конструкция матрицы Батлера скомпонована на диэлектрической подложке из отечественного материала ФАФ-4Д с относительной диэлектрической проницаемостью 2.5 толщиной 0,3 мм, которая расположена между двумя слоями диэлектрика толщиной 1,5 мм.

For citation

Alekseytsev A.S., Gorbachev A.P., Parshin Y. Broadband Butler matrix 4x4 with crossover as a differential phase shifter // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.11.19

References

  1. Butler J.L., Lowe R. Beam forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas // Electronic Design. - 1961. - Т. 9. - C. 170-173.
  2. Патент США № 3255450, J.L. Butler / Multiple beam antenna system employing multiple directional couplers in the leadin. - Опубл. 07.06.1966.
  3. Grau A., Romeu J., Blanch S., Jofre L., Flaviis F.D. Optimization of linear multielement antennas for selection combining by means of a Butler matrix in different MIMO environments // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2006. - T. 54. - № 11. - C. 3251-3264. https://doi.org/10.1109/TAP.2006.883971
  4. Chang C.-C., Lee R.-H., Shih T.-Y. Design of a beam switching / steering Butler matrix for phased array system // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2010. - T. 58. - № 2. - C. 367-374. https://doi.org/10.1109/TAP.2009.2037693
  5. Wincza K., Gruszczynski S., Sachse K. Broadband planar fully integrated 8x8 Butler matrix using coupled-line directional couplers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2011. - T. 59. - № 10. - C. 2441-2446. https://doi.org/10.1109/TMTT.2011.2164092
  6. Shao Q., Chen F.-C., Wang Y., Chu Q.-X., Lancaster M.J. Design of modified 4x6 filtering Butler matrix based on all-resonator structures // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2019. - T. 67. - № 9. - C. 3617-3627.
  7. Wu Q., Zhang A., Yang Y., Yu M., Shi X.Computer-aided tuning of Butler matrices // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2019. - T. 67. - № 11. - C. 4386-4393. https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2937784
  8. Nasseri H., Bemani M., Ghaffarlou A. A new method for arbitrary amplitude distribution generation in 4x8 Butler matrix // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2020. - T. 30. - № 3. - C. 249-253. https://doi.org/10.1109/LMWC.2020.2966929
  9. Лыу Куанг Хынг. Миниатюризация матрицы Батлера 4х4. // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - №. 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.9.11
  10. Gorbachev A.P., Parshin Y.N. All-pass phaser on a base of half-wave coupled-line section and its application // Microwave and Optical Technology Letters. - 2021. - Т. 63. - № 10. - С. 2570-2575. https://doi.org/10.1002/mop.32925
  11. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ // Москва: Советское Радио. - 1976. - 216 C.
  12. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ // Москва: Высшая школа. - 1988. - 432 C.