Uma nova estrutura de linha de transmissão em T com filtragem e sua aplicação no projeto de uma matriz de Butler de tamanho reduzido

Hardware menor para feixes sem fio mais inteligentes

Sistemas sem fio modernos, como 5G e radar, muitas vezes dependem de circuitos especiais para direcionar ondas de rádio em diferentes direções sem mover a antena. Essas redes de direção podem ser grandes e desperdiçar espaço valioso em dispositivos compactos. Este artigo apresenta uma nova forma de reduzir um desses circuitos-chave, chamado matriz de Butler, ao mesmo tempo que incorpora uma função de filtragem útil que ajuda a bloquear sinais de alta frequência indesejados.

Um novo bloco construtivo em forma de T

Os pesquisadores propõem um padrão simples em T de trilhas metálicas que conduzem sinais de rádio em uma placa de circuito. Na frequência de operação, esse padrão se comporta como uma seção padrão de linha de transmissão com um quarto de comprimento de onda, que é um bloco básico em muitos circuitos de rádio. A diferença chave é que o novo padrão ocupa apenas cerca de metade do espaço horizontal do projeto clássico, trocando um pouco mais de comprimento vertical por uma pegada muito mais curta na placa. Como muitas redes de direcionamento usam várias dessas seções de um quarto de comprimento de onda, substituí-las pela versão em T pode reduzir todo o sistema de forma perceptível.

Limpeza de sinal incorporada

A parte vertical e aberta da estrutura em T não serve apenas para economizar espaço. Ao escolher cuidadosamente sua forma, os autores mostram que ela pode bloquear fortemente sinais acima de uma frequência de corte definida. Na frequência de operação pretendida, o circuito permite que a potência passe conforme desejado. Entretanto, em aproximadamente o dobro dessa frequência, o ramo aberto se comporta como se estivesse conectado ao terra, de modo que quase nenhuma potência alcança a saída. Ajustando esse ramo, eles podem deslocar a banda de bloqueio mantendo o comportamento correto na frequência principal de operação, efetivamente conferindo a cada seção em T uma ação de filtro passa-baixa.

Reduzindo a rede de direcionamento

Para demonstrar a utilidade da ideia, a equipe reprojeta os blocos principais de uma matriz de Butler de quatro entradas e quatro saídas: os acopladores híbridos e os cruzamentos que roteiam sinais entre linhas. Em cada caso, eles substituem linhas convencionais de um quarto de comprimento de onda pela nova estrutura em T sempre que possível. O circuito resultante de camada única é construído em um material padrão de placa de circuito para micro-ondas e testado em 2,5 gigahertz. Em comparação com um layout tradicional, a nova matriz ocupa apenas cerca de um terço da área original, correspondendo a uma redução de tamanho em torno de 65%, enquanto mantém todas as partes em uma única camada em vez de sobrepor várias placas.

Desempenho na prática

Medidas do circuito fabricado mostram que os sinais que entram na matriz estão bem casados com a placa, com baixas reflexões na frequência de operação para as portas de entrada testadas. A potência é dividida entre as quatro saídas com apenas pequenas diferenças entre os caminhos, e as fases relativas entre as saídas seguem de perto os valores esperados de uma matriz de Butler ideal. Acima de 4 gigahertz, as reflexões tornam-se grandes, o que confirma que o comportamento passa-baixa incorporado bloqueia sinais de frequência mais alta conforme projetado. Pequenas diferenças entre os resultados medidos e simulados são atribuídas a efeitos dos conectores e a variações sutis no material da placa de circuito, ambos problemas comuns em protótipos de alta frequência.

Do circuito ao apontamento de feixe

Para mostrar como essa matriz compacta pode ser usada em um sistema real, os autores conectam suas saídas a um arranjo de antenas de patch retangulares, criando uma configuração de formação de feixe analógica. Ao excitar diferentes portas de entrada, o padrão combinado da antena direciona o lóbulo principal a ângulos entre cerca de mais ou menos 40 graus, com ganho de pico em torno de 10 dB e lóbulos secundários mantidos abaixo de -5 dB. O isolamento entre portas de entrada é melhor que cerca de -15 dB, indicando que as portas não interferem fortemente entre si. No geral, a matriz de tamanho reduzido se comporta como um projeto clássico em termos de direcionamento e ganho, mas com uma pegada muito menor e com o bônus adicional da filtragem.

O que isso significa para equipamentos sem fio futuros

Este trabalho mostra que um elemento simples de linha de transmissão em forma de T pode tanto reduzir quanto limpar circuitos-chave de direcionamento usados em sistemas 5G e de radar. Como o projeto é de camada única, fácil de descrever matematicamente e não está preso a um layout específico de matriz de Butler, ele pode ser reutilizado em outros circuitos de micro-ondas que dependem de linhas de um quarto de comprimento de onda. Combinado com outros métodos de miniaturização, essa abordagem pode ajudar a construir hardware de formação de feixe mais compacto e eficiente, reduzindo custos e economizando espaço em dispositivos sem fio futuros.

Citação: 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

Palavras-chave: Matriz de Butler, formação de feixe, antenas 5G, filtragem passa-baixa, linha de transmissão