Eine neuartige filternde T‑förmige Leitungsstruktur und ihre Anwendung bei der Gestaltung einer verkleinerten Butler‑Matrix

Kleinere Hardware für intelligentere Funkstrahlen

Moderne drahtlose Systeme wie 5G und Radar verlassen sich häufig auf spezielle Schaltungen, um Funkwellen in verschiedene Richtungen zu lenken, ohne die Antenne zu bewegen. Diese Steuerungsnetzwerke können groß sein und in beengten Geräten wertvollen Platz beanspruchen. Diese Arbeit stellt eine neue Methode vor, eine dieser zentralen Schaltungen, die sogenannte Butler‑Matrix, zu verkleinern und gleichzeitig eine nützliche Filterfunktion zu integrieren, die hilft, unerwünschte Hochfrequenzsignale zu unterdrücken.

Ein neuer T‑förmiger Baustein

Die Forscher schlagen ein einfaches T‑förmiges Muster aus Metallbahnen vor, die Funksignale auf einer Leiterplatte führen. Bei der Betriebsfrequenz verhält sich dieses Muster wie ein standardmäßiger Viertelwellenabschnitt einer Übertragungsleitung, ein Grundbaustein in vielen Funkkreisen. Der wesentliche Unterschied ist, dass das neue Muster nur etwa die Hälfte der horizontalen Länge des klassischen Designs einnimmt und dafür etwas zusätzliche vertikale Länge verwendet — dadurch fällt die Fußabdrucklänge auf der Platine deutlich kürzer aus. Da viele Steuerungsnetzwerke zahlreiche dieser Viertelwellenabschnitte nutzen, kann der Austausch gegen die T‑Form das gesamte System merklich verkleinern.

Eingebautes Signal‑Aufräumen

Der vertikale, offen endende Teil der T‑Struktur dient nicht nur der Platzersparnis. Durch geschickte Wahl seiner Form zeigen die Autorinnen und Autoren, dass er Signale oberhalb einer gewählten Grenzfrequenz stark dämpfen kann. Bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz lässt die Schaltung die Leistung wie gewünscht passieren. Bei etwa dem Doppelten dieser Frequenz verhält sich der offene Zweig allerdings, als wäre er an Masse angeschlossen, sodass nahezu keine Leistung den Ausgang erreicht. Durch die Anpassung dieses Zweiges lässt sich das Sperrband verschieben, während das korrekte Verhalten auf der Hauptbetriebsfrequenz erhalten bleibt — effektiv erhält jeder T‑Abschnitt eine Tiefpass‑Filterwirkung.

Verkleinerung des Steuerungsnetzwerks

Um die Nützlichkeit dieser Idee zu demonstrieren, entwirft das Team die Hauptbausteine einer vier Eingangs‑, vier Ausgangs‑Butler‑Matrix neu: die Hybridkopppler und die Kreuzungen, die Signale zwischen Leitungen leiten. In jedem Fall ersetzen sie konventionelle Viertelwellenleitungen dort, wo möglich, durch die neue T‑Struktur. Die resultierende einlagige Schaltung wird auf einem Standard‑Mikrowellenleiterplattenmaterial aufgebaut und bei 2,5 Gigahertz getestet. Vergleichbar mit einem herkömmlichen Layout nimmt die neue Matrix nur noch etwa ein Drittel der ursprünglichen Fläche ein, entsprechend einer Größenreduktion von rund 65 Prozent, wobei alle Bauteile auf einer einzigen Lage bleiben, anstatt mehrere Platinen zu stapeln.

Praktische Leistung

Messungen der gefertigten Schaltung zeigen, dass die in die Matrix eingespeisten Signale gut an die Platine angepasst sind, mit geringen Reflexionen bei der Betriebsfrequenz für die getesteten Eingangsports. Die Leistung teilt sich auf die vier Ausgänge auf mit nur kleinen Unterschieden zwischen den Pfaden, und die relativen Phasen zwischen den Ausgängen folgen eng den Werten, die von einer idealen Butler‑Matrix erwartet werden. Über 4 Gigahertz werden die Reflexionen groß, was bestätigt, dass das eingebaute Tiefpassverhalten höhere Frequenzen wie vorgesehen blockiert. Kleine Abweichungen zwischen Messung und Simulation führen die Autoren auf Steckverbinder‑Effekte und leichte Variationen im Leiterplattenmaterial zurück, beides übliche Probleme bei Hochfrequenzprototypen.

Von der Schaltung zur Strahlsteuerung

Um zu zeigen, wie diese kompakte Matrix in einem realen System eingesetzt werden kann, verbinden die Autoren ihre Ausgänge mit einem Array rechteckiger Patch‑Antennen und schaffen so eine analoge Strahlformungsanordnung. Wenn sie unterschiedliche Eingangsports anregen, weist das kombinierte Antennenmuster den Hauptstrahl in Winkel zwischen etwa plus und minus 40 Grad, mit einem Spitzen‑Gewinn von rund 10 dB und Seitenkeulen unterhalb von minus 5 dB. Die Entkopplung zwischen den Eingangsports liegt bei besser als etwa minus 15 dB, was darauf hinweist, dass die Ports einander nicht stark stören. Insgesamt verhält sich die verkleinerte Matrix in Bezug auf Steuerung und Gewinn wie ein klassisches Design, jedoch mit deutlich kleinerer Stellfläche und dem zusätzlichen Vorteil der Filterwirkung.

Was das für zukünftige drahtlose Geräte bedeutet

Diese Arbeit zeigt, dass ein einfacher T‑förmiger Übertragungsleitungs‑Element sowohl Schlüsselsteuerkreise in 5G‑ und Radarsystemen verkleinern als auch deren Signale säubern kann. Da das Design einlagig, mathematisch leicht beschreibbar und nicht an eine spezielle Butler‑Matrix‑Topologie gebunden ist, lässt es sich in anderen Mikrowellen‑Schaltungen wiederverwenden, die auf Viertelwellenabschnitten basieren. In Kombination mit anderen Miniaturisierungsmethoden könnte dieser Ansatz helfen, kompaktere, effizientere Beamforming‑Hardware zu bauen, Kosten zu senken und Platz in künftigen drahtlosen Geräten zu sparen.

Zitation: Amangeldi, Y., Rano, D., Arzykulov, S. et al. A novel filtering T-shaped transmission line structure and its application in the design of reduced-size Butler matrix. Sci Rep 16, 15116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44962-y

Schlüsselwörter: Butler‑Matrix, Strahlformung, 5G‑Antennen, Tiefpass‑Filterung, Leitungsstruktur