Une nouvelle structure de ligne de transmission en T filtrante et son application à la conception d'une matrice de Butler de taille réduite

Matériel plus compact pour des faisceaux sans fil plus intelligents

Les systèmes sans fil modernes comme la 5G et le radar reposent souvent sur des circuits spécialisés pour orienter les ondes radio dans différentes directions sans déplacer l'antenne. Ces réseaux de commande peuvent être volumineux et occuper un espace précieux dans des appareils encombrés. Cet article présente une nouvelle façon de réduire l'une de ces structures clés, appelée matrice de Butler, tout en intégrant une fonction de filtrage utile qui aide à bloquer les signaux indésirables à haute fréquence.

Un nouveau bloc en forme de T

Les auteurs proposent un motif simple en T de pistes métalliques qui transportent les signaux radio sur une carte électronique. À la fréquence de fonctionnement, ce motif se comporte comme une section standard de ligne de transmission d'un quart d'onde, un élément de base dans de nombreux circuits radio. La différence clé est que le nouveau motif occupe seulement environ la moitié de l'espace horizontal du design classique, échangeant un peu de longueur verticale contre une empreinte beaucoup plus courte sur la carte. Comme de nombreux réseaux de commande utilisent plusieurs de ces sections d'un quart d'onde, les remplacer par la version en T peut réduire sensiblement l'encombrement du système entier.

Nettoyage du signal intégré

La branche verticale ouverte de la structure en T ne sert pas seulement à gagner de la place. En choisissant soigneusement sa géométrie, les auteurs montrent qu'elle peut fortement bloquer les signaux au‑dessus d'une fréquence de coupure choisie. À la fréquence de fonctionnement prévue, le circuit laisse passer la puissance comme souhaité. En revanche, à environ deux fois cette fréquence, la branche ouverte se comporte comme si elle était connectée à la masse, si bien que presque aucune puissance n'atteint la sortie. En ajustant cette branche, ils peuvent déplacer la bande de blocage tout en conservant le comportement correct à la fréquence principale, conférant ainsi à chaque section en T une action de filtre passe‑bas.

Réduction du réseau de commande

Pour démontrer l'utilité de cette idée, l'équipe redessine les blocs principaux d'une matrice de Butler à quatre entrées et quatre sorties : les coupleurs hybrides et les croisements qui acheminent les signaux entre les lignes. Dans chaque cas, ils remplacent les lignes traditionnelles d'un quart d'onde par la nouvelle structure en T là où c'est possible. Le circuit monocouche résultant est fabriqué sur un matériau standard de circuit micro-ondes et testé à 2,5 gigahertz. Comparée à une implantation traditionnelle, la nouvelle matrice occupe seulement environ le tiers de la surface initiale, correspondant à une réduction de taille d'environ 65 %, tout en conservant tous les composants sur une seule couche au lieu d'empiler plusieurs cartes.

Performances en pratique

Les mesures du circuit fabriqué montrent que les signaux entrant dans la matrice sont bien adaptés à la carte, avec de faibles réflexions à la fréquence de fonctionnement pour les ports d'entrée testés. La puissance se répartit entre les quatre sorties avec seulement de petites différences entre les trajectoires, et les phases relatives entre les sorties suivent de près les valeurs attendues d'une matrice de Butler idéale. Au‑dessus de 4 gigahertz, les réflexions deviennent importantes, ce qui confirme que le comportement passe‑bas intégré bloque les signaux de haute fréquence comme prévu. Les petites différences entre les résultats mesurés et simulés sont attribuées aux effets des connecteurs et à une légère variation du matériau du circuit imprimé, deux problèmes courants dans les prototypes haute fréquence.

Du circuit au pilotage de faisceau

Pour montrer comment cette matrice compacte peut être utilisée dans un système réel, les auteurs relient ses sorties à un réseau d'antennes patch rectangulaires, créant une configuration de formation de faisceau analogique. Lorsqu'ils excitent différents ports d'entrée, le diagramme d'antenne combiné oriente le faisceau principal vers des angles d'environ plus ou moins 40 degrés, avec un gain de pointe d'environ 10 dB et des lobes secondaires maintenus en dessous de -5 dB. L'isolation entre les ports d'entrée est meilleure qu'environ -15 dB, ce qui indique que les ports n'interfèrent pas fortement entre eux. Globalement, la matrice réduite se comporte comme un design classique en termes d'orientation et de gain, mais avec une empreinte beaucoup plus petite et l'avantage supplémentaire du filtrage.

Ce que cela implique pour les équipements sans fil futurs

Ce travail montre qu'un simple élément de ligne de transmission en T peut à la fois réduire et purifier les circuits de commande clés utilisés dans les systèmes 5G et radar. Parce que la conception est monocouche, facile à décrire mathématiquement et non liée à une implantation spécifique de matrice de Butler, elle peut être réutilisée dans d'autres circuits micro‑ondes qui dépendent de sections d'un quart d'onde. Combinée à d'autres méthodes de miniaturisation, cette approche pourrait aider à construire du matériel de formation de faisceaux plus compact et plus efficace, réduisant les coûts et économisant de l'espace dans les futurs dispositifs sans fil.

Citation: 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

Mots-clés: Matrice de Butler, formation de faisceaux, antennes 5G, filtrage passe-bas, ligne de transmission