Een nieuw filterend T-vormig transmissielijnstructuur en de toepassing ervan in het ontwerp van een verkleinde Butler-matrix

Kleinere hardware voor slimmer draadloos sturen

Moderne draadloze systemen zoals 5G en radar vertrouwen vaak op speciale schakelingen om radiogolven in verschillende richtingen te sturen zonder de antenne te bewegen. Deze stuurnetwerken kunnen groot zijn en waardevolle ruimte in drukke apparatuur verspillen. Dit artikel introduceert een nieuwe manier om een van deze sleutelcircuits, de Butler-matrix, te verkleinen en tegelijk een nuttige filterfunctie in te bouwen die helpt ongewenste hoge frequenties te blokkeren.

Een nieuw T-vormig bouwblok

De onderzoekers stellen een eenvoudig T-vormig patroon van metalen sporen voor die radiosignalen op een printplaat geleiden. Bij de bedrijfsfrequentie gedraagt dit patroon zich net als een standaard kwartgolfsectie van een transmissielijn, een basisbouwsteen in veel radiocircuits. Het belangrijkste verschil is dat het nieuwe patroon slechts ongeveer de helft van de horizontale ruimte van het klassieke ontwerp inneemt, waarbij wat extra verticale lengte wordt ingewisseld voor een veel kortere voetafdruk langs de plaat. Omdat veel stuurnetwerken veel van deze kwartgolfsecties gebruiken, kan het vervangen door de T-vormige versie het hele systeem merkbaar verkleinen.

Ingebouwde signaalreiniging

Het verticale, openuiteinde van de T-structuur dient niet alleen om ruimte te besparen. Door de vorm zorgvuldig te kiezen tonen de auteurs aan dat het sterke onderdrukking kan geven voor signalen boven een gekozen afsnijfrequentie. Bij de bedoelde bedrijfsfrequentie laat het circuit vermogen doorgaan zoals gewenst. Bij ongeveer het dubbele van die frequentie gedraagt de open tak zich echter alsof die op aarde is aangesloten, zodat vrijwel geen vermogen het uitgangspunt bereikt. Door deze tak aan te passen kunnen ze het blokkeringsgebied verschuiven terwijl het juiste gedrag bij de hoofdfrequentie behouden blijft, waardoor elke T-sectie effectief een laagdoorlaatfilteractie krijgt.

Het stuurnetwerk verkleinen

Om de bruikbaarheid van dit idee aan te tonen, herontwerpt het team de hoofdcomponenten van een Butler-matrix met vier ingangen en vier uitgangen: de hybride koppelaars en de kruisingen die signalen tussen lijnen routeren. In elk geval vervangen ze conventionele kwartgolflijnen door de nieuwe T-structuur waar mogelijk. Het resulterende enkellaagse circuit is gebouwd op een standaard microgolf-printplaatmateriaal en getest op 2,5 gigahertz. Vergeleken met een traditioneel ontwerp beslaat de nieuwe matrix slechts ongeveer een derde van het oorspronkelijke oppervlak, wat overeenkomt met een groottevermindering van circa 65 procent, terwijl alle onderdelen op één laag blijven in plaats van meerdere platen te stapelen.

Prestaties in de praktijk

Metingen van het gefabriceerde circuit tonen aan dat signalen die de matrix binnenkomen goed zijn aangepast aan de plaat, met lage reflecties bij de bedrijfsfrequentie voor de geteste ingangsports. Het vermogen splitst zich over de vier uitgangen met slechts kleine verschillen tussen de paden, en de relatieve fasen tussen de uitgangen volgen nauwkeurig de waarden die van een ideale Butler-matrix worden verwacht. Boven 4 gigahertz worden de reflecties groot, wat bevestigt dat het ingebouwde laagdoorlaatgedrag hogere frequenties zoals ontworpen blokkeert. Kleine verschillen tussen gemeten en gesimuleerde resultaten worden toegeschreven aan connector-effecten en lichte variatie in het printplaatmateriaal, beide veelvoorkomende kwesties bij hoogfrequente proefopstellingen.

Van schakeling naar bundelsturing

Om te laten zien hoe deze compacte matrix in een echt systeem kan worden gebruikt, verbinden de auteurs de uitgangen met een array van rechthoekige patch-antennes en creëren zo een analoge beamformingopstelling. Wanneer ze verschillende ingangsports opwekken wijst het gecombineerde antennepatroon de hoofdstraal naar hoeken tussen ongeveer plus en min 40 graden, met een piekversterking van ongeveer 10 dB en zijlobben gehouden onder minus 5 dB. Isolatie tussen ingangsports is beter dan ongeveer minus 15 dB, wat aangeeft dat de poorten elkaar niet sterk storen. Over het geheel gedraagt de verkleinde matrix zich op het gebied van sturing en versterking als een klassiek ontwerp, maar met een veel kleinere voetafdruk en met het extra voordeel van filtering.

Wat dit betekent voor toekomstige draadloze apparatuur

Dit werk laat zien dat een eenvoudig T-vormig transmissielijnelement zowel sleutelstuurcircuits die in 5G- en radarsystemen worden gebruikt kan verkleinen als kan zuiveren. Omdat het ontwerp enkellaags is, wiskundig eenvoudig te beschrijven en niet gebonden aan een specifieke Butler-matrixindeling, kan het hergebruikt worden in andere microgolfcircuits die afhankelijk zijn van kwartgolflijnen. Gecombineerd met andere miniaturisatiemethoden kan deze benadering helpen om compactere, efficiëntere beamforming-hardware te bouwen, wat kosten kan verlagen en ruimte bespaart in toekomstige draadloze apparaten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: Butler-matrix, beamforming, 5G-antennes, laagdoorlaatfiltering, transmissielijn