Una novedosa estructura de línea de transmisión en T con filtrado y su aplicación en el diseño de una matriz de Butler de tamaño reducido

Hardware más pequeño para haces inalámbricos más inteligentes

Los sistemas inalámbricos modernos como 5G y el radar a menudo dependen de circuitos especiales para dirigir las ondas de radio en distintas direcciones sin mover la antena. Estas redes de direccionamiento pueden ser grandes y desperdiciar espacio valioso en dispositivos muy cargados. Este artículo presenta una nueva forma de reducir uno de estos circuitos clave, llamado matriz de Butler, al tiempo que incorpora una función de filtrado útil que ayuda a bloquear señales de alta frecuencia no deseadas.

Un nuevo bloque constructivo en forma de T

Los investigadores proponen un patrón simple en forma de T de pistas metálicas que transportan señales de radio en una placa de circuito. En la frecuencia de operación, este patrón se comporta como una sección estándar de línea de transmisión de un cuarto de longitud de onda, que es un bloque básico en muchos circuitos de radio. La diferencia clave es que el nuevo patrón ocupa solo aproximadamente la mitad del espacio horizontal del diseño clásico, intercambiando algo de longitud vertical por una huella mucho más corta sobre la placa. Dado que muchas redes de direccionamiento usan muchas de estas secciones de un cuarto de longitud de onda, reemplazarlas por la versión en T puede reducir el sistema completo de forma apreciable.

Limpieza de señal integrada

La rama vertical, de extremo abierto, de la estructura en T no sirve solo para ahorrar espacio. Al seleccionar cuidadosamente su geometría, los autores demuestran que puede bloquear fuertemente las señales por encima de una frecuencia de corte elegida. En la frecuencia de operación prevista, el circuito deja pasar la potencia como se desea. A aproximadamente el doble de esa frecuencia, sin embargo, la rama abierta se comporta como si estuviera conectada a masa, de modo que casi ninguna potencia llega a la salida. Ajustando esta rama, pueden desplazar la banda de bloqueo manteniendo el comportamiento correcto en la frecuencia principal de operación, lo que efectivamente otorga a cada sección en T una acción de filtro paso bajo.

Reduciendo la red de direccionamiento

Para demostrar la utilidad de esta idea, el equipo rediseña los bloques principales de una matriz de Butler de cuatro entradas y cuatro salidas: los acopladores híbridos y los cruces que enrutan señales entre las líneas. En cada caso, reemplazan las líneas convencionales de un cuarto de longitud de onda por la nueva estructura en T siempre que es posible. El circuito resultante, de una sola capa, está construido sobre un material de placa de circuito de microondas estándar y probado a 2,5 gigahercios. En comparación con un diseño tradicional, la nueva matriz ocupa solo alrededor de un tercio del área original, lo que corresponde a una reducción de tamaño de aproximadamente el 65%, manteniendo todas las partes en una sola capa en lugar de apilar varias placas.

Rendimiento en la práctica

Las medidas del circuito fabricado muestran que las señales que entran en la matriz están bien adaptadas a la placa, con bajas reflexiones en la frecuencia de operación para los puertos de entrada probados. La potencia se reparte entre las cuatro salidas con solo pequeñas diferencias entre las rutas, y las fases relativas entre las salidas siguen de cerca los valores esperados de una matriz de Butler ideal. Por encima de 4 gigahercios, las reflexiones aumentan de forma considerable, lo que confirma que el comportamiento de paso bajo incorporado bloquea las señales de mayor frecuencia según lo diseñado. Las pequeñas diferencias entre los resultados medidos y los simulados se atribuyen a efectos de los conectores y a ligeras variaciones en el material de la placa, problemas comunes en prototipos de alta frecuencia.

Del circuito al direccionamiento de haces

Para mostrar cómo puede usarse esta matriz compacta en un sistema real, los autores conectan sus salidas a una matriz de antenas de parche rectangular, creando una configuración de formación de haces analógica. Al excitar distintos puertos de entrada, el patrón combinado de la antena orienta el haz principal en ángulos entre aproximadamente más/menos 40 grados, con una ganancia pico de alrededor de 10 dB y lóbulos secundarios mantenidos por debajo de -5 dB. El aislamiento entre puertos de entrada es mejor que aproximadamente -15 dB, lo que indica que los puertos no interfieren fuertemente entre sí. En general, la matriz de tamaño reducido se comporta como un diseño clásico en términos de direccionamiento y ganancia, pero con una huella mucho menor y con la ventaja añadida del filtrado.

Qué significa esto para el futuro del equipamiento inalámbrico

Este trabajo muestra que un simple elemento de línea de transmisión en forma de T puede tanto reducir como limpiar circuitos clave de direccionamiento utilizados en sistemas 5G y de radar. Debido a que el diseño es de una sola capa, fácil de describir matemáticamente y no está ligado a una disposición específica de la matriz de Butler, puede reutilizarse en otros circuitos de microondas que dependan de líneas de un cuarto de longitud de onda. Combinado con otros métodos de miniaturización, este enfoque podría ayudar a construir hardware de formación de haces más compacto y eficiente, reduciendo costes y ahorrando espacio en futuros dispositivos inalámbricos.

Cita: 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

Palabras clave: Matriz de Butler, formación de haces, antenas 5G, filtrado paso bajo, línea de transmisión