摘要：給出了一種適用于TD-SCDMA系統(tǒng)面天線陣的改進(jìn)Bulter多波束矩陣方法，在傳統(tǒng)的Bulter多次束矩陣的基礎(chǔ)上，通過添加8個額外的移相器，使之產(chǎn)生8個并行波束，實現(xiàn)了對360°水平面的覆蓋。提出了對改進(jìn)后Bulter多波束形成網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步優(yōu)化方案，使TD-SCDMA系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量得到較好的改善。

     關(guān)鍵詞：Bulter多波束矩陣 TD-SCDMA 波束賦形 移相器

在移動通信的發(fā)展中，中國丟失了第一代，錯過了第二代，而TD-SCDMA（時分同步碼分多址）為中國第三代移動通信的發(fā)展提供了千載難逢的機(jī)遇。TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線一般可分為兩類：自適應(yīng)天線系統(tǒng)和多波束天線系統(tǒng)。自適應(yīng)天線系統(tǒng)由于跟蹤信號需要依賴算法和信號處理技術(shù)，因此響應(yīng)速度慢、不能實時處理信號，但是能夠形成較為理想的天線波束；而多波束切換天線系統(tǒng)是利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，波束指向固定，不需要進(jìn)行復(fù)雜計算和加權(quán)，與自適應(yīng)天線系統(tǒng)相比，波束形狀簡單固定，易于實現(xiàn)。TD-SCDMA系統(tǒng)的多波束智能天線由8個垂直地面放置的半波陣子組成同心圓環(huán)陣，直徑為25cm，如圖1所示。與全方向天線相比，它可獲得8dB的增益。

1 8單元圓環(huán)Bulter多波束天線陣

多波束智能天線的波束賦形方法很多，如利用Blass多波束形成網(wǎng)絡(luò)、Bulter多波束矩陣等。用Bulter多波束矩陣獲得的每一個波束，都能得到整個天線面所提供的天線增益，所以，波束形成網(wǎng)絡(luò)是無損的；此外，Bulter多波束形成網(wǎng)絡(luò)形成的多個波束是相互正交的，這一特性有利于對其它復(fù)雜形狀天線波瓣方向圖的綜合。本文通過對傳統(tǒng)的Bulter多波束矩陣改進(jìn)和優(yōu)化，較好地實現(xiàn)了對水平面的全方位覆蓋。

1．1 對Bulter多波束天線陣的改進(jìn)

傳統(tǒng)的Bulter多波束矩陣只適用于線性陣，它產(chǎn)生一種偶對稱的波瓣，不能實現(xiàn)對360°水平面安全方位的覆蓋。如果直接對傳統(tǒng)的8單元圓環(huán)Bulter多波束矩陣饋電，則形成的方向圖中主、副瓣不明顯，如圖2（a）所示，無法用于移動通信。

為了用Bulter多波束矩陣得的理想的方向圖特性，實現(xiàn)波束的賦形，就需要對Bulter多波束矩陣進(jìn)行相應(yīng)地改進(jìn)，如圖3所示。與傳統(tǒng)的Bulter多波束矩陣相比，它添加了8個額外的移相器，這樣該圓環(huán)陣就能夠產(chǎn)生了8個固定波束，實現(xiàn)對水平面的全方位覆蓋，如圖2（b）所示。

圖2

    假設(shè)在P1端口饋電，各天線陣元饋電電流相位分別為：67.5°、225°247.5°、315°、247.5°、225、427.5°、315。此時，天線陣的方向性函數(shù)為：

F1（ψ）=（I/8）{exp(j(67.5°+kasin(ψ)))+exp(j(225°+kasin(ψ-45)))+exp(j(247.5°+kasin(ψ-90°)))+exp(j(315°+kasin(ψ-135°)))+exp(j(247.5°+kasin(ψ-180°)))+exp(j(255°+kasin(ψ-255°)+exp(j(447.5°+kasin(ψ-270°)))+exp(315°+kasin(ψ-135°))))

其中，I為端口饋電電流幅度，假設(shè)初相相位為零，K=2π/λ為自由空間波系，α為圓環(huán)陣半徑，為α=0.4λ，天線性能最佳。同理可推出P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8端口饋電時天線陣的方向性函數(shù)。

    圖4所示的直角坐標(biāo)下，8個端口同時饋電時所形成的并行波束�？梢钥吹剑�8個并行波束可覆蓋整個360°水平面，主瓣增益高出副瓣3dB，并且主瓣與副瓣的壓制比大大提高，能量主要集中在天線的主瓣上，因此，天線陣的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于未改進(jìn)的Bulter網(wǎng)絡(luò)所形成的天線陣方向圖。

以上討論均未考慮天線陣元間互耦的影響。如果考慮天線陣元間互耦的影響，那么天線的性能估受影響，并且要對天線陣的半徑α重新優(yōu)化。但是，天線陣的整體性能不會有太大的變化。

    1．2 對Bulter多波束形成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

在實際應(yīng)用中，為了減弱小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾、降低呼損、調(diào)整天線陣覆蓋范圍，就需要對Bulter多波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步優(yōu)化。對于圖5（a）所示的二元天線陣，由方向性增強(qiáng)原則可知：在輸入功率相同的條件下，遠(yuǎn)區(qū)M點(diǎn)所得到的場強(qiáng)，二元陣比單個陣字時增強(qiáng)了根號2倍。但是在其它方向上就要具體分析，對于遠(yuǎn)區(qū)N點(diǎn)方向，當(dāng)兩射線的行程差為dcosθ=λ/2時，其引起的相位差為π，表示兩陣子