Yeni bir filtreleyici T şekilli iletim hattı yapısı ve boyutu küçültülmüş Butler matrisi tasarımındaki uygulaması

Daha akıllı kablosuz ışınlar için daha küçük donanım

5G ve radar gibi modern kablosuz sistemler, anteni hareket ettirmeden radyo dalgalarını farklı yönlere doğru yönlendirmek için özel devrelere sıkça dayanır. Bu yönlendirme ağları büyük olabilir ve kalabalık cihazlarda değerli alanı boşa harcayabilir. Bu makale, Butler matrisi adı verilen bu kilit devrelerden birini küçültmenin yeni bir yolunu sunuyor ve aynı zamanda istenmeyen yüksek frekanslı sinyalleri engellemeye yardımcı olan kullanışlı bir filtreleme işlevini de yerleştiriyor.

Yeni bir T şekilli yapı taşı

Araştırmacılar, devre kartında radyo sinyallerini taşıyan metal izlerin basit bir T şekilli düzenini öneriyor. İşletme frekansında bu düzen, birçok radyo devresinde temel yapı taşı olan standart bir çeyrek dalga boyu iletim hattı bölümü gibi davranıyor. Temel fark, yeni desenin klasik tasarıma göre yatay alanda yalnızca yaklaşık yarısını kaplaması; bunun yerine biraz ekstra dikey uzunluk kullanarak kart üzerinde çok daha kısa bir iz bırakıyor. Birçok yönlendirme ağı bu çeyrek dalga bölümlerinden çok sayıda kullandığından, bunları T şekline dönüştürmek tüm sistemi fark edilir şekilde küçültebilir.

Yerleşik sinyal temizliği

T yapısının dikey, açık uçlu kolu yalnızca alan tasarrufu için değil. Yazarlar, şeklini dikkatle seçerek bunun seçilmiş bir kesme frekansının üzerindeki sinyalleri güçlü şekilde engelleyebileceğini gösteriyor. Hedef işletme frekansında devre gücün istenildiği gibi geçmesine izin veriyor. Ancak yaklaşık iki katı frekansta açık şube, toprağa bağlıymış gibi davranıyor, bu yüzden neredeyse çıkışa güç ulaşmıyor. Bu kolu ayarlayarak engelleme bandını hareket ettirebiliyorlar ve ana işletme frekansındaki doğru davranışı koruyarak her T bölümüne etkili bir alçak geçiren filtre işlevi kazandırıyorlar.

Yönlendirme ağını küçültme

Bu fikrin faydasını göstermek için ekip, dört girişli dört çıkışlı bir Butler matrisinin ana yapı taşlarını yeniden tasarlıyor: hibrit kuplörler ve hatlar arasındaki sinyalleri yönlendiren geçişler. Her durumda, mümkün olan yerlerde geleneksel çeyrek dalga hatlarını yeni T yapısıyla değiştiriyorlar. Ortaya çıkan tek katmanlı devre standart bir mikrodalga devre kartı malzemesi üzerine inşa edilip 2.5 gigahertz'te test ediliyor. Geleneksel bir düzenle karşılaştırıldığında, yeni matris orijinal alanın yalnızca yaklaşık üçte birini kaplıyor; bu da tek katman üzerinde tutularak birkaç kartı üst üste koyma ihtiyacını ortadan kaldırarak yaklaşık yüzde 65 civarında bir boyut azaltımına karşılık geliyor.

Pratikte performans

Üretilmiş devrenin ölçümleri, matrise giren sinyallerin karta iyi uyum sağladığını ve test edilen giriş portları için işletme frekansında düşük yansımalar olduğunu gösteriyor. Güç dört çıkış arasında yollar arasında yalnızca küçük farklılıklarla bölünüyor ve çıkışlar arasındaki göreli fazlar, ideal bir Butler matrisinden beklenen değerleri yakından takip ediyor. 4 gigahertz'in üzerinde yansımalar büyük hale geliyor; bu da yerleşik alçak geçiren davranışın daha yüksek frekanslı sinyalleri tasarlandığı gibi engellediğini doğruluyor. Ölçülen ve simüle edilen sonuçlar arasındaki küçük farklar, konektör etkilerine ve devre kartı malzemesindeki hafif değişime atfediliyor; bunlar yüksek frekans prototiplerinde sık rastlanan sorunlar.

Devreden ışın yönlendirmeye

Bu kompakt matrisin gerçek bir sistemde nasıl kullanılabileceğini göstermek için yazarlar çıkışlarını dikdörtgen yama antenlerden oluşan bir diziye bağlıyor ve analog ışın oluşturma kurulumu oluşturuyor. Farklı giriş portlarını uyarırken birleşik anten deseni ana ışını yaklaşık artı eksi 40 derece arasındaki açılara yönlendiriyor; tepe kazancı yaklaşık 10 dB ve yan loblar eksi 5 dB’in altında tutuluyor. Giriş portları arasındaki izolasyon yaklaşık eksi 15 dB’den daha iyi; bu da portların birbirini güçlü şekilde etkilemediğini gösteriyor. Genel olarak, küçültülmüş matris yönlendirme ve kazanç açısından klasik bir tasarım gibi davranıyor, ancak çok daha küçük bir ayak izi ve ek filtreleme yararı sunuyor.

Geleceğin kablosuz ekipmanları için anlamı

Bu çalışma, basit bir T şekilli iletim hattı elemanının 5G ve radar sistemlerinde kullanılan ana yönlendirme devrelerini hem küçültebileceğini hem de temizleyebileceğini gösteriyor. Tasarım tek katmanlı, matematiksel olarak tanımlaması kolay ve belirli bir Butler matris düzenine bağlı olmadığından, çeyrek dalga hatlarına dayanan diğer mikrodalga devrelerinde de yeniden kullanılabilir. Diğer küçültme yöntemleriyle birleştirildiğinde, bu yaklaşım geleceğin kablosuz cihazlarında daha kompakt, verimli ışın oluşturma donanımları inşa etmeye yardımcı olabilir; maliyetleri düşürüp yerden tasarruf sağlayabilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: Butler matrisi, ışın oluşturma, 5G antenleri, alçak geçiren filtreleme, iletim hattı