7/25/2019 Matriz de Butler

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MATRIZ DE BUTLER DE DOBLEBANDA PARA SISTEMAS WLAN:

 Nuestro objetivo es construir una matriz de Butler que cubra las bandas

correspondientes a los estándares IEEE 802.11a/b con particular inters en los sistemas

!"#N$ en las bandas de 2.% & ' ()z.

Los componentes individuaes de a Mat!i" de Bute! son*

• )+brido de cuadratura.

• #coplador de 0 dB.

• ,esplazador de -ase.

obre el rano de -recuencias propuesto$ la atriz de Butler presenta errores de -ase &

acoplos de entre 1.' & dB8.03.4   ±− $ respectivamente.

INTRODU##I$N:

"as atrices de Butler se usan para dise5ar ampli-icadores multipuesto & especialmente para dise5ar antenas intelientes con radiaciones intermitentes para sistemas de

comunicaciones. #lunos de ellos son sistemas de doble banda. "os circuitos trabajando

en ambas bandas son 6tiles para incrementar el nivel de interaci7n.

# -recuencias de microondas es di-+cil dise5ar un circuito con el mismo comportamiento

a dos -recuencias$ as+ que los sistemas arriba comentados comparten -recuentemente

s7lo una antena de doble banda$ & las bandas de -recuencia están separadas usando

dipleores.

"os elementos de una matriz de Butler son 9+bridos de cuadratura$ un acoplador de 0 dB

& desplazadotes de -ase. )a& dos posibles aproimaciones para el dise5o de estoscircuitos para su uso en un sistema de doble banda*

1. :sar elementos de banda anc9a.

2. :sar elementos de doble banda.

El dise5o de una matriz de Butler de doble banda tiene como objetivo ser usada en

sistemas !"#N & cubrir las -recuencias correspondientes a los estándares IEEE802.11b

a - 1;2.%'()z e IEEE802.11a a - 2;'.2'()z & - ;'.8()z.

"a matriz de Butler microstrip propuesta proporciona el aumento del anc9o de banda$

 para la banda de -recuencia más alta a '()z con el objetivo de cubrir todo su rano de-recuencias.

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ELEMENTOS DE LA MATRIZ DE BUTLER:

:na atriz de Butler NN puede usarse para alimentar un arra& de N antenas. ,esde el

 punto de vista de la transmisi<n$ la B =Butler atri> distribu&e la se5al de entrada de

un puerto de ?@/A@ a los puertos en el arra& de antenas. i está convenientementedise5ada$ las se5ales en los cuatro puertos de la antena tiene di-erencias de -ase

constantes entre los radiadores consecutivos. "a superposici7n de todos los ra&os

des-asados resultan en una radiaci7n más direccional apuntando a una determinada

direcci7n.

"a -orma del patr7n de radiaci7n & la direcci7n a la que apunta depende del puerto

?@/A@ que se use$ as+ que es posible conmutar entre cuatro ra&os que más 7 menos son

ortoonales e incorrelados.

 Esquemático de la Matriz de Butler de doble banda propuesta:

:na atriz de Butler consiste en 9+bridos de cuadratura cruzados & des-asadotes que

 proveen las -ases adecuadas ara operar apropiadamente. iuiendo la numeraci7n del

esquema$ si el di-erencial de -ase$ ( )%11>=   S S hhh

  ψ ψ ψ    −=∆  =donde >= 1S h

ψ   & ( )%1

S hψ  

son las -ases de los parámetros 1 & %1 respectivamente> de cada 9+brido es hψ  ∆ ;C0.

Entonces$ el des-asador tiene que cambiar la -ase de la se5al entrante por ∆ϕ;%'. Dor 

otro lado$ si esos desplazadotes de -ase di-erencial -ueran hψ  ∆ ;C0$ la cantidad a

desplazar en ese caso$ ser+a de ∆ϕ;%'.

in embaro$ estas dos soluciones no son las 6nicas posibilidades. En la tabla siuiente

se muestran las di-erencias de -ases entre las antenas consecutivas para todas las

 posibles combinaciones 7 dise5os para cada puerto ?@/A@ de la atriz de Butler.

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 Diferencias de fases entre antenas consecutivas:

Es obvio que la actuaci7n de sistema completo$ es la misma para cada soluci7n$ sinembaro a la 9ora de dise5ar una atriz de Butler de doble banda$ podemos tomar 

ventaja de su -leibilidad$ coiendo la soluci7n más adecuada para cada -recuencia$ &a

que a cada una le incumbe el dise5o de cada componente individual$ & en particular 

durante el dise5o del des-asador.

e sometieron a test los componentes individualmente. El dielctrico usado -ue A004

con constante dielctrica relativa 4.1'$ rosor 0.4'mm & rosor de metalizaci7n

0.013mm.

%&BRIDO DE DOBLE BANDA:

"os 9+bridos planares de doble banda$ pueden dise5arse usando acopladores Branc9line

de dB$ e los cuales la lonitud de las l+neas de acoplo en un par de brazos paralelos es

dos veces más baja =F/2> que en los otros =F/%>. Estos acopladores pueden dise5arse para

operar a dos -recuentas incorreladas & tienen randes anc9os de banda en cada banda de

-recuencias.

El 9+brido -ue dise5ado para proveer operatividad a ambos estándares =IEEE802.11b &

IEEE802.11a> en la banda de 2.%()z & '()z respectivamente. Este 9+brido -ue

optimizado para aumentar el anc9o de banda de la banda de -recuencias más alta con el

objetivo de tratar con los servidores localizados entre '.1'()z & '.8'()z$ tanto en

Estados :nidos como en la :ni7n Europea.

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A#OPLADOR DE 'dB DE DOBLE BANDA:

:n cruce planar puede 9acerse poniendo en cascada dos 9+bridos en cuadratura. Duede

dise5arse poniendo en cascada dos 9+bridos duales como los descritos en la secci7n

 previa$ & es el resultado de un proceso de optimizaci7n$ usando el mtodo del simulador de momentos =GomentumH>.

"as prdidas de inserci7n medidas son menores de 0.3 dB para las tres -recuencias

=2.%'()z$ '.2'()z & '.8()z> & las prdidas de retorno e isolaciones mejores de 20dB.

DES(ASADOR:

El des-asador tiene que retrasar las se5ales una cantidad iual al retraso del cruce$ ϕc

ás el desplazamiento de -ase necesario ∆ϕ. Esto es*   ϕ ϕ ϕ    ∆+= c p $ siendo   pϕ    el

retardo de -ase introducido por el des-asador.

Esto sini-ica que las -ases simuladas cϕ   de los cruces a cada -recuencia$ que son %3$

4% & 28 a 2.%'()z$ '.2'()z & '.8()z respectivamente tienen que ser a5adidos a

uno de los sueridos en la 2 columna de la tabla adjuntada anteriormente$ teniendo en

cuenta que el 9+brido dise5ado tiene una -ase di-erencial de C0 entre el puerto ) & el

)% a 2.%'()z & de C0 desde '.2'()z 9asta '.8()z.

 Desplazamientos de fase a las tres frecuencias diseñadas:

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Esta tabla$ muestra un sumario de los desplazamientos de -ase adecuados para cada

componente de la atriz de Butler para dos soluciones de un total de cuatro$ a las tres

-recuencias de dise5o. Estas cuatro posibles combinaciones son las comentadas en la

 primera tabla adjunta.

:na l+nea de transmisi7n de '0J de lonitud 40.2mm produce desplazamientos de -ase

similares a aquellos valores mostrados en la tabla en nerita$ por ello$ los eleimos

como objetivos para el dise5o de un des-asador más adecuado. El dise5o -inal es una

l+nea de transmisi7n con curvas serpenteantes espec+-icamente localizadas & -ormadas.

?al circuito produce desplazamientos de -ase requeridos dentro de un maren de error 

más peque5o de 2$ tiene prdidas de inserci7n menores de 0.4dB & prdidas de retorno

mejores de 20dB.

LA)OUT DE LA MATRIZ DE BUTLER )MEDIDAS:

# continuaci7n mostramos el la&out de la atriz de Butler al completo*

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El area total es de 4040 mm. En esta version no se 9a intentado reducer su tama5o. in

embaro$ podr+a 9aberse conseuido un dise5o más peque5o reemplazando las l+neas de

transmission rectas de los 9+bridos por l+neas curvadas.

 Pérdidas de inserción de la red cuando es alimentada por los puertos 1 !

respectivamente:

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Kabe destacar el anc9o de banda de la seunda banda alrededor de '.'()z$ en ambos

 puertos. "os puertos & % nos dar+an los mismos resultados debido a la simetr+a de la

red.

 Pérdidas de inserción a las tres frecuencias de interés:

"ase pro#resiva entre los puertos de la antena cuando la Matriz de Butler esalimentada por los puertos 1 !:

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,e manera similar$ las -ases eneradas cuando alimentamos a travs de los puertos & %

son las mismas pero de sino opuesto$ debido a la simetr+a de la red.

#ON#LUSI$N:

:na atriz de Butler de doble banda planar microstrip con-orma el sistema propuesto.

Está dise5ada para usarse en multibanda =2.%'()z$ '.2'()z & '.8()z> para servicios

operativos =sistemas !"#N>.

"a atriz de Butler e9ibe errores de -ase & de acoplo de entre 1.' & dB8.03.4   ±−

respectivamente.

:n dise5o ideal de la atriz de Butler propuesta deber+a crear cuatro ra&os de

radiaci7n$ dos de ellos aputando a L1%.' para una -ase proresiva entre los puertos de

antena de L%' & los otros dos$ apuntando a L%8.3' para una -ase proresiva entre

 puertos de antena de L1'.

:n arra& de cuatro antenas isotr7picas separadas 0.'F 0$ siendo F 0 la lonitud de onda del

aire$ & con antenas per-ectamente alineadas a la red B$ -ue considerado. :n nivel de

l7bulo secundario =""> de 11. dB ser deber+a esperar en ese caso. Komparando el

caso te7rico con as medidas de la atriz de Butler -abricada$ los errores en los ánulos

medidos se predijeron aproimadamente para estar entre 1 & 1.2'$ para -ases

 proresivas de L%' & L1' respectivamente. El "" se observ7 que deb+a estar entre11.dB & C.%dB.