Новая фильтрующая Т-образная структура линии передачи и её применение при проектировании уменьшенной матрицы Батлера

Меньше аппаратуры — умнее лучи беспроводной связи

Современные беспроводные системы, такие как 5G и радар, часто полагаются на специальные цепи для направления радиоволн в разные стороны без физического поворота антенны. Эти сети управления лучом могут занимать много места и тратить ценную площадь в компактных устройствах. В этой работе предложен новый способ уменьшения одного из ключевых узлов — матрицы Батлера — с одновременным добавлением полезной функции фильтрации, помогающей блокировать нежелательные высокочастотные сигналы.

Новый Т-образный строительный блок

Авторы предлагают простую Т-образную конфигурацию металлических дорожек, по которым на плате распространяются радиосигналы. На рабочей частоте эта конфигурация ведёт себя как стандартный участок линии передачи длиной в четверть длины волны, который является базовым элементом во многих радиочастотных цепях. Главное отличие в том, что новая схема занимает примерно вдвое меньше горизонтального пространства по сравнению с классическим решением, жертвуя частью вертикальной длины ради существенно меньшего следа на плате. Поскольку многие сети управления лучом используют множество таких четвертьволновых участков, замена их на Т-образную версию может заметно уменьшить размеры всей системы.

Встроенная очистка сигнала

Вертикальная, открытая ветвь Т-образной структуры служит не только для экономии места. При тщательном подборе её формы авторы показывают, что она может сильно блокировать сигналы выше выбранной частоты среза. На предназначенной рабочей частоте цепь пропускает мощность, как нужно. Однако примерно на вдвое более высокой частоте открытая ветвь ведёт себя так, будто подключена к земле, и почти никакая мощность не достигает выхода. Регулируя эту ветвь, можно сдвинуть полосу подавления, сохранив при этом корректное поведение на основной рабочей частоте, что эффективно придаёт каждому Т-участку действие нисходящего (низкочастотного) фильтра.

Уменьшение сети управления

Чтобы продемонстрировать полезность идеи, команда переработала основные элементы четырехвходовой, четырехвыходной матрицы Батлера: гибридные ответвители и переходы, которые направляют сигналы между линиями. В каждом случае они заменили обычные четвертьволновые участки новой Т-структурой где это было возможно. Получившаяся однослойная схема изготовлена на стандартном материале СВЧ-платы и протестирована на 2,5 гигагерца. По сравнению с традиционной компоновкой новая матрица занимает лишь около трети первоначальной площади, что соответствует сокращению размеров примерно на 65 процентов, при этом все элементы размещены на одном слое вместо многослойной сборки.

Практические показатели

Измерения изготовленной схемы показывают, что сигналы, входящие в матрицу, хорошо согласованы с платой, с малыми отражениями на рабочей частоте для протестированных входных портов. Мощность распределяется между четырьмя выходами с лишь незначительными различиями между путями, а относительные фазы между выходами близки к значениям, ожидаемым для идеальной матрицы Батлера. Выше 4 гигагерц наблюдаются большие отражения, что подтверждает, что встроенное низкочастотное поведение блокирует более высокие частоты, как было задумано. Небольшие различия между измеренными и смоделированными результатами объясняют эффектами разъёмов и небольшой вариацией материалов платы — общими проблемами прототипов на высоких частотах.

От схемы к управлению лучом

Чтобы показать, как эта компактная матрица может использоваться в реальной системе, авторы подключили её выходы к массиву прямоугольных пластинчатых антенн, создав аналоговую схему формирования луча. При возбуждении разных входных портов суммарная диаграмма направленности антенн указывает главный лепесток под углами примерно ±40 градусов, с пиковым усилением около 10 дБ и боковыми лепестками ниже −5 дБ. Изоляция между входными портами лучше примерно −15 дБ, что указывает на слабое взаимное влияние между портами. В целом уменьшенная матрица ведёт себя как классическая по управлению и усилению, но имеет существенно меньший размер и дополнительный эффект фильтрации.

Что это означает для будущего беспроводного оборудования

Эта работа показывает, что простая Т-образная линия передачи может одновременно уменьшать и улучшать ключевые схемы управления лучом, используемые в системах 5G и радарах. Поскольку дизайн однослойный, математически прост для описания и не привязан к конкретной компоновке матрицы Батлера, его можно применять и в других микроволновых схемах, зависящих от четвертьволновых участков. В сочетании с другими методами миниатюризации этот подход может помочь создать более компактное и эффективное оборудование формирования луча, снижая затраты и экономя место в будущих беспроводных устройствах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: матрица Батлера, формирование луча, антенны 5G, низкочастотная фильтрация, линия передачи