Nowa filtrowana struktura linii transmisyjnej w kształcie litery T i jej zastosowanie w projekcie zredukowanej matrycy Butlera

Mniejsze podzespoły dla inteligentniejszych wiązek bezprzewodowych

Współczesne systemy bezprzewodowe, takie jak 5G i radary, często opierają się na specjalnych obwodach do kierowania fal radiowych w różne kierunki bez ruchu anteny. Sieci sterujące mogą być duże i zajmować cenną przestrzeń w zatłoczonych urządzeniach. Artykuł przedstawia nowy sposób pomniejszenia jednego z kluczowych obwodów, zwanego matrycą Butlera, jednocześnie wbudowując użyteczną funkcję filtrującą pomagającą blokować niepożądane sygnały wysokoczęstotliwościowe.

Nowy element konstrukcyjny w kształcie litery T

Badacze proponują prosty, T‑kształtny układ ścieżek metalicznych przenoszących sygnały radiowe na płytce drukowanej. Przy częstotliwości pracy ten wzór zachowuje się jak standardowy odcinek linii transmisyjnej o ćwierć długości fali, który jest podstawowym elementem wielu obwodów radiowych. Kluczowa różnica polega na tym, że nowy układ zajmuje tylko około połowy poziomej przestrzeni klasycznego rozwiązania, kosztem pewnego dodatkowego wydłużenia w pionie — dzięki czemu ślad na płytce jest znacznie krótszy. Ponieważ wiele sieci sterujących używa licznych odcinków ćwierćfalowych, zastąpienie ich wersją w kształcie T może wyraźnie zmniejszyć cały system.

Wbudowane oczyszczanie sygnału

Pionowa, otwarta gałąź struktury T nie służy jedynie oszczędności miejsca. Poprzez staranne dobranie jej kształtu autorzy pokazują, że może ona silnie tłumić sygnały powyżej wybranej częstotliwości odcięcia. Przy zamierzonej częstotliwości pracy obwód przepuszcza moc zgodnie z oczekiwaniami. Jednak przy mniej więcej dwukrotnej tej częstotliwości otwarta gałąź zachowuje się tak, jakby była podłączona do ziemi, więc niemal żadna moc nie dociera do wyjścia. Regulując tę gałąź można przesuwać pasmo tłumienia, jednocześnie zachowując prawidłowe działanie na głównej częstotliwości pracy — skutecznie nadając każdej sekcji T funkcję filtru dolnoprzepustowego.

Zmniejszanie sieci sterującej

Aby zademonstrować przydatność pomysłu, zespół przeprojektowuje główne elementy matrycy Butlera o czterech wejściach i czterech wyjściach: sprzęgacze hybrydowe oraz przejścia krzyżowe kierujące sygnały między ścieżkami. W każdym przypadku tam, gdzie to możliwe, zastępują konwencjonalne odcinki ćwierćfalowe nową strukturą T. Powstały jednowarstwowy obwód zbudowano na standardowym materiale płytki mikrofalowej i przetestowano przy 2,5 gigaherca. W porównaniu z tradycyjnym układem nowa matryca zajmuje tylko około jednej trzeciej pierwotnej powierzchni, co odpowiada zmniejszeniu rozmiaru o około 65 procent, przy zachowaniu wszystkich elementów na jednej warstwie zamiast stosowania kilku płytek.

Wydajność w praktyce

Pomiary wykonanej płytki pokazują, że sygnały wchodzące do matrycy są dobrze dopasowane do płytki, z niskimi odbiciami przy częstotliwości pracy dla testowanych portów wejściowych. Moc dzieli się między cztery wyjścia z niewielkimi różnicami między ścieżkami, a względne fazy pomiędzy wyjściami ściśle odpowiadają wartościom oczekiwanym od idealnej matrycy Butlera. Powyżej 4 gigaherców odbicia stają się duże, co potwierdza, że wbudowane zachowanie dolnoprzepustowe blokuje sygnały wyższych częstotliwości zgodnie z zamierzeniem. Niewielkie różnice między wynikami zmierzonymi a symulowanymi przypisano efektom złączek i drobnym zmianom w materiale płytki drukowanej — obie to typowe problemy w prototypach wysokich częstotliwości.

Z obwodu do kierowania wiązką

Aby pokazać, jak ta kompaktowa matryca może być wykorzystana w rzeczywistym systemie, autorzy podłączają jej wyjścia do układu prostokątnych anten patch, tworząc analogowy układ formowania wiązki. Przy wzbudzaniu różnych portów wejściowych złożony wzór antenowy kieruje główną wiązkę na kąty w przybliżeniu od plus do minus 40 stopni, z maksymalnym zyskiem około 10 dB i bocznymi listkami utrzymanymi poniżej minus 5 dB. Izolacja między portami wejściowymi jest lepsza niż około minus 15 dB, co wskazuje, że porty nie zakłócają się silnie nawzajem. Ogólnie zredukowana matryca zachowuje się jak klasyczny projekt pod względem sterowania i zysku, ale z dużo mniejszym śladem i dodatkowym atutem w postaci filtracji.

Co to oznacza dla przyszłego sprzętu bezprzewodowego

Praca pokazuje, że prosty element linii transmisyjnej w kształcie litery T może jednocześnie zmniejszyć i uporządkować kluczowe obwody sterujące stosowane w systemach 5G i radarowych. Ponieważ projekt jest jednowarstwowy, prosty do opisu matematycznego i nie jest związany z konkretnym układem matrycy Butlera, może być ponownie wykorzystany w innych obwodach mikrofalowych zależnych od odcinków ćwierćfalowych. W połączeniu z innymi metodami miniaturyzacji podejście to może pomóc w budowie bardziej zwartych, wydajnych układów formowania wiązek, obniżając koszty i oszczędzając miejsce w przyszłych urządzeniach bezprzewodowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: matryca Butlera, formowanie wiązki, anteny 5G, filtracja dolnoprzepustowa, linia transmisyjna