一種八單元圓環(huán)陣實現(xiàn)多波束的方法

給出了一種用改進的Butler八單元圓環(huán)陣實現(xiàn)固定多波束天線陣的方法。天線陣由八個垂直地面放置的半波振子組成，通過改變饋電端口來控制波束的指向。由于添加了八個額外的移相器，可產(chǎn)生八個并行波束實現(xiàn)對水平面的完全覆蓋，并可用于信號到達角的粗略估計。
關 鍵 詞 Butler網(wǎng)絡; 圓環(huán)陣; 固定多波束天線陣; 移相器

隨著移動通信的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的多址方式，如CDMA、FDMA、TDMA等，已不能滿足日益增長的擴容需要。90年代初，文獻[1]提出了智能天線的概念，其基本思想是利用信號空間特征差異，將同頻率、同時隙的信號加以分離，從而達到擴容的目的。這就將通信資源由碼域、頻域、時域擴展到了空間域，屬于空分多址體制。智能天線正是利用空分多址的思想，大大提高了信道的利用率。
智能天線一般可分為兩類：自適應天線陣和多波束天線陣。自適應天線陣由于其跟蹤信號需要依賴于算法的實現(xiàn)，因此具有響應速度慢、不能實時處理信號的缺點。而多波束天線陣則是利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，波束指向固定。與自適應天線陣相比，具有不需要進行復雜計算和加權處理的優(yōu)點。
多波束天線陣的實現(xiàn)有很多種方法，用Butler網(wǎng)絡加以實現(xiàn)即是其中的一種。傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡[2]適用于直線陣，且只能產(chǎn)生偶對稱的波束，其方向圖不能覆蓋360o水平面。而文獻[3]對Butler網(wǎng)絡進行了改進，使其用于面陣。由于其討論的僅是四單元菱形布陣，其適用性受到限制。本文對傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡進行改進，采用八個垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣，通過引入八個額外的移相器，使之產(chǎn)生八個固定波束，實現(xiàn)對水平面的全方位覆蓋。由于天線陣的陣元間存在互耦，因此本文還利用互阻抗法討論了在考慮互耦時天線陣的設計方法以及失配對圓環(huán)陣方向圖的影響。

1 八單元圓環(huán)陣Butler多波束天線陣
傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡只適用于直線陣，當天線陣為八個垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣時,如直接對其饋電則此時的方向圖如圖2所示。
由圖2可以看出，各波束無固定指向，主、副瓣不明顯，根本無法應用于移動通信。于是，本文對傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡進行了改進。圖3是改進后的Butler網(wǎng)絡。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，它添加了八個額外移相器，天線陣為八個垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣。此時, 各天線單元的饋電相位已知。

2 方向圖仿真分析

2.1 不考慮互耦時
為得到確定的方向性函數(shù)，必須確定圓環(huán)陣的半徑a。通過波束仿真分析，得到當λ4.0=a時，天線性能最佳。圖4是當λ4.0=a時八單元圓環(huán)陣的極坐標方向圖。不考慮互耦時，圓環(huán)陣環(huán)徑λ4.0=a，天線陣形成八個并行波束覆蓋整個360o水平面，波束指向固定，半功率波瓣寬度為50o，主瓣電平約為8 dB，天線性能良好，為便于下面討論，給出直角坐標下的天線陣方向圖如圖5所示。