一种新型滤波T形传输线结构及其在缩小型Butler矩阵设计中的应用

更小的硬件，实现更智能的无线波束

诸如5G与雷达等现代无线系统往往依赖特殊电路在不移动天线的情况下将无线波束指向不同方向。这类波束控制网络可能体积较大，占用设备中宝贵的空间。本文提出了一种新的方法，可在缩小关键电路——Butler矩阵的同时，内置一种有用的滤波功能，以帮助阻隔不需要的高频信号。

一种新的T形构件

研究人员提出了一种简单的T形金属线图案，用于电路板上传输射频信号。在工作频率处，该图案的行为类似于标准的四分之一波长传输线段，这是许多射频电路中的基本构件。关键区别在于，新图案仅占用经典设计大约一半的横向空间，以牺牲一些垂直长度换取沿电路板更短的占位。由于许多波束控制网络使用大量这样的四分之一波长段，用T形替代后可以显著缩小整个系统的体积。

内建的信号净化

T结构的垂直开口分支不仅用于节省空间。作者通过精心选择其形状，表明该分支能在选定的截止频率以上强烈阻断信号。在预定的工作频率处，该电路按预期允许能量传输；但在大约两倍该频率时，开口分支的行为类似接地，从而几乎没有能量到达输出。通过调整该分支，可移动阻断频带，同时仍保持主工作频率处的正确性能，使每个T段具备低通滤波作用。

缩小波束控制网络

为展示该构想的实用性，团队重新设计了四输入四输出Butler矩阵的主要构件：杂交耦合器和在导线上转换路径的交叉点。在每种情况下，他们尽可能用新的T结构替代传统的四分之一波长线。所得的单层电路建立在标准微波电路板材料上，并在2.5 GHz处进行了测试。与传统布局相比，新矩阵仅占原面积的大约三分之一，约减少65%的体积，同时保持所有元件在单层而非叠层电路板上。

实践中的性能

对所制电路的测量表明，进入矩阵的信号在工作频率处良好匹配电路板，测试的输入端口反射率较低。功率在四个输出之间分配，路径之间仅有微小差异，输出间的相对相位也与理想Butler矩阵预期值高度吻合。在4 GHz以上，反射显著增大，这证实了内建低通特性按设计阻断更高频信号。测量与仿真结果的细微差异被归因于连接器效应和电路板材料的轻微变化，这些都是高频原型中常见的问题。

从电路到波束控制

为展示该紧凑矩阵在实际系统中的应用，作者将其输出连接到一组矩形贴片天线，构建了一个模拟波束形成系统。当激励不同输入端口时，合成天线方向图将主波束指向约正负40度之间的角度，峰值增益约为10 dB，旁瓣保持在-5 dB以下。输入端口间的隔离优于约-15 dB，表明各端口间干扰较小。总体而言，该缩小型矩阵在波束指向和增益方面表现如经典设计，但占用更小的空间并额外具备滤波功能。

这对未来无线设备意味着什么

该工作表明，简单的T形传输线单元既能缩小又能净化用于5G与雷达系统的关键波束控制电路。由于该设计为单层、数学上易于描述且不依赖特定的Butler矩阵布局，它可以在其他依赖四分之一波长线的微波电路中重复使用。与其他小型化方法结合时，这一方法有望帮助构建更紧凑、高效的波束成形硬件，降低成本并为未来无线设备节省空间。

引用: 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

关键词: Butler矩阵, 波束成形, 5G天线, 低通滤波, 传输线