En ny filtrerande T-formad transmissionsledningsstruktur och dess tillämpning i utformningen av en förminskad Butler-matris

Mindre hårdvara för smartare trådlösa strålar

Moderna trådlösa system som 5G och radar förlitar sig ofta på specialkretsar för att styra radiovågor i olika riktningar utan att flytta antennen. Dessa styrnätverk kan vara stora och ta upp värdefull plats i utrymmesbegränsade enheter. Denna artikel introducerar ett nytt sätt att krympa en av dessa nyckelkretsar, kallad Butler-matris, samtidigt som den inbyggda filtreringsfunktionaliteten hjälper till att blockera oönskade högfrekventa signaler.

En ny T-formad byggsten

Forskarna föreslår ett enkelt T-format mönster av metallbanor som för radioregler på ett kretskort. Vid driftfrekvensen beter sig detta mönster precis som en standard sektion med kvartsvåglängd av transmissionsledning, vilket är en grundläggande byggsten i många radiokretsar. Den avgörande skillnaden är att det nya mönstret tar upp endast ungefär hälften av den horisontella ytan hos den klassiska utformningen, genom att byta mot lite extra vertikal längd för ett mycket kortare avtryck längs kortet. Eftersom många styrnätverk använder många av dessa kvartvågssektioner kan ersättning med den T-formade versionen krympa hela systemet märkbart.

Inbyggd signalrengöring

Den vertikala, öppna delen av T-strukturen är inte bara till för att spara plats. Genom att noggrant välja dess form visar författarna att den effektivt kan blockera signaler ovanför en vald avskärningsfrekvens. Vid avsedd driftfrekvens släpper kretsen igenom effekt som önskat. Vid ungefär dubbla den frekvensen beter sig den öppna grenen däremot som om den var ansluten till jord, så nästan ingen effekt når utgången. Genom att justera denna gren kan de flytta blockeringsbandet samtidigt som huvudfrekvensens beteende bibehålls, vilket i praktiken ger varje T-sektion en lågpassfilterfunktion.

Krymper styrnätverket

För att demonstrera nyttan med idén redesignerar teamet huvudbyggstenarna i en fyra-ingångs, fyra-utgångs Butler-matris: hybridkopplare och korsningar som dirigerar signaler mellan ledare. I varje fall ersätter de konventionella kvartsvågsledningar med den nya T-strukturen där det är möjligt. Den resulterande enkellagerskretsen byggs på ett standard mikrovågskretskortsmaterial och testas vid 2,5 gigahertz. Jämfört med en traditionell layout upptar den nya matrisen endast ungefär en tredjedel av den ursprungliga ytan, motsvarande en storleksreduktion på omkring 65 procent, samtidigt som alla delar hålls på ett enda lager istället för att stapla flera kort.

Prestanda i praktiken

Mätningar av den tillverkade kretsen visar att signaler som kommer in i matrisen är väl anpassade till kretskortet, med låga reflektioner vid driftfrekvensen för de testade ingångsportarna. Effekten fördelas mellan de fyra utgångarna med endast små skillnader mellan vägarna, och de relativa faserna mellan utgångarna följer noggrant de värden som förväntas från en ideal Butler-matris. Över 4 gigahertz blir reflektionerna stora, vilket bekräftar att det inbyggda lågpassbeteendet blockerar högre frekvenssignaler som tänkt. Små skillnader mellan uppmätta och simulerade resultat tillskrivs kontaktorer och små variationer i kretskortsmaterialet, båda vanliga problem i högfrekvensprototyper.

Från krets till strålstyrning

För att visa hur denna kompakta matris kan användas i ett verkligt system kopplar författarna dess utgångar till en matris av rektangulära patchantenner och skapar en analog beamforming‑uppställning. När de exciterar olika ingångsportar pekar den kombinerade antennens huvudstråle vid vinklar mellan ungefär plus och minus 40 grader, med en toppvinst på cirka 10 dB och sidlobnivåer hållna under minus 5 dB. Isoleringen mellan ingångsportarna är bättre än cirka minus 15 dB, vilket indikerar att portarna inte stör varandra starkt. Sammantaget beter sig den förminskade matrisen som en klassisk design vad gäller styrning och vinst, men med ett mycket mindre fotavtryck och med den extra fördelen av filtrering.

Vad detta innebär för framtida trådlös utrustning

Detta arbete visar att ett enkelt T-format transmissionslinjeelement både kan krympa och rengöra nyckelstyrkretsar som används i 5G- och radarsystem. Eftersom designen är enkellagers, lätt att beskriva matematiskt och inte bunden till en specifik Butler-matrislayout, kan den återanvändas i andra mikrovågskretsar som är beroende av kvartsvågsledningar. Tillsammans med andra miniatyriseringsmetoder kan detta tillvägagångssätt hjälpa till att bygga mer kompakta, effektiva beamforming‑hårdvaror, vilket minskar kostnader och sparar plats i framtida trådlösa enheter.

Citering: 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

Nyckelord: Butler-matris, beamforming, 5G-antenner, lågpassfiltrering, transmissionsledning