Una nuova struttura a linea di trasmissione a T con filtraggio e la sua applicazione nella progettazione di una Butler matrix di dimensioni ridotte

Hardware più piccolo per fasci wireless più intelligenti

I moderni sistemi wireless come il 5G e i radar si affidano spesso a circuiti speciali per dirigere le onde radio in diverse direzioni senza muovere l'antenna. Queste reti di smistamento possono essere ingombranti e occupare spazio prezioso nei dispositivi affollati. Questo articolo introduce un nuovo modo per ridurre una di queste componenti chiave, chiamata Butler matrix, integrando allo stesso tempo una funzione di filtraggio utile che aiuta a bloccare segnali indesiderati ad alta frequenza.

Un nuovo blocco costruttivo a forma di T

I ricercatori propongono un semplice schema a T di piste metalliche che trasportano segnali radio su una scheda circuitale. Alla frequenza di esercizio, questo schema si comporta come una normale sezione di linea di trasmissione di un quarto d'onda, un elemento base in molti circuiti radio. La differenza chiave è che il nuovo motivo occupa solo circa la metà dello spazio orizzontale del progetto classico, scambiando un po' di lunghezza verticale in più per un ingombro molto più ridotto lungo la scheda. Poiché molte reti di smistamento usano numerose di queste sezioni di un quarto d'onda, sostituirle con la versione a T può ridurre sensibilmente l'intero sistema.

Pulizia del segnale integrata

La parte verticale a estremità aperta della struttura a T non serve solo a risparmiare spazio. Scegliendo con cura la sua forma, gli autori mostrano che può bloccare fortemente i segnali al di sopra di una frequenza di taglio scelta. Alla frequenza operativa prevista, il circuito lascia passare la potenza come desiderato. A circa il doppio di quella frequenza, però, il ramo aperto si comporta come se fosse collegato a massa, quindi quasi nessuna potenza raggiunge l'uscita. Regolando questo ramo, possono spostare la banda di blocco mantenendo comunque il comportamento corretto alla frequenza principale, conferendo effettivamente a ogni sezione a T un'azione di filtro passa-basso.

Riduzione della rete di controllo del fascio

Per dimostrare l'utilità dell'idea, il team riprogetta i blocchi principali di una Butler matrix a quattro ingressi e quattro uscite: gli accoppiatori ibridi e i crossover che instradano i segnali tra le linee. In ogni caso, sostituiscono le linee convenzionali di un quarto d'onda con la nuova struttura a T ovunque sia possibile. Il circuito risultante monostrato è costruito su un materiale standard per circuiti microonde e testato a 2,5 gigahertz. Rispetto a un layout tradizionale, la nuova matrice occupa solo circa un terzo dell'area originale, corrispondente a una riduzione di dimensioni di circa il 65%, mantenendo tutte le parti su un unico strato invece di impilare più schede.

Prestazioni nella pratica

Le misure del circuito fabbricato mostrano che i segnali in ingresso alla matrice sono ben adattati alla scheda, con basse riflessioni alla frequenza di esercizio per le porte di ingresso testate. La potenza si divide tra le quattro uscite con solo piccole differenze tra i percorsi, e le fasi relative tra le uscite seguono da vicino i valori attesi da una Butler matrix ideale. Sopra i 4 gigahertz, le riflessioni diventano elevate, il che conferma che il comportamento passa-basso incorporato blocca i segnali a frequenza più alta come progettato. Piccole differenze tra i risultati misurati e quelli simulati sono attribuite agli effetti dei connettori e a leggere variazioni nel materiale della scheda, entrambi problemi comuni nei prototipi ad alta frequenza.

Dal circuito al controllo del fascio

Per mostrare come questa matrice compatta possa essere impiegata in un sistema reale, gli autori collegano le sue uscite a un array di antenne patch rettangolari, creando una configurazione di beamforming analogico. Quando eccitano diverse porte di ingresso, il diagramma d'antenna combinato dirige il fascio principale ad angoli compresi tra circa più e meno 40 gradi, con un guadagno di picco di circa 10 dB e lobi laterali mantenuti sotto i -5 dB. L'isolamento tra le porte di ingresso è migliore di circa -15 dB, indicando che le porte non interferiscono fortemente tra loro. Nel complesso, la matrice ridotta si comporta come un progetto classico in termini di steering e guadagno, ma con un ingombro molto minore e con il valore aggiunto del filtraggio.

Implicazioni per le future apparecchiature wireless

Questo lavoro dimostra che un semplice elemento di linea di trasmissione a forma di T può sia ridurre che ripulire i circuiti chiave di steering usati nei sistemi 5G e radar. Poiché il progetto è monostrato, facile da descrivere matematicamente e non vincolato a un layout specifico di Butler matrix, può essere riutilizzato in altri circuiti microonde che dipendono da sezioni di un quarto d'onda. Combinate con altri metodi di miniaturizzazione, queste soluzioni potrebbero contribuire a costruire hardware di beamforming più compatti ed efficienti, riducendo i costi e risparmiando spazio nei dispositivi wireless futuri.

Citazione: 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

Parole chiave: Butler matrix, beamforming, antenne 5G, filtraggio passa-basso, linea di trasmissione