摘要：給出了一種適用于TD-SCDMA系統面天線陣的改進Bulter多波束矩陣方法，在傳統的Bulter多次束矩陣的基礎上，通過添加8個額外的移相器，使之產生8個并行波束，實現了對360°水平面的覆蓋。提出了對改進后Bulter多波束形成網絡的進一步優化方案，使TD-SCDMA系統的服務質量得到較好的改善。

     關鍵詞：Bulter多波束矩陣 TD-SCDMA 波束賦形 移相器

在移動通信的發展中，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展提供了千載難逢的機遇。TD-SCDMA系統的智能天線一般可分為兩類：自適應天線系統和多波束天線系統。自適應天線系統由于跟蹤信號需要依賴算法和信號處理技術，因此響應速度慢、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是利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，波束指向固定，不需要進行復雜計算和加權，與自適應天線系統相比，波束形狀簡單固定，易于實現。TD-SCDMA系統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多波束形成網絡、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，波束形成網絡是無損的；此外，Bulter多波束形成網絡形成的多個波束是相互正交的，這一特性有利于對其它復雜形狀天線波瓣方向圖的綜合。本文通過對傳統的Bulter多波束矩陣改進和優化，較好地實現了對水平面的全方位覆蓋。

1．1 對Bulter多波束天線陣的改進

傳統的Bulter多波束矩陣只適用于線性陣，它產生一種偶對稱的波瓣，不能實現對360°水平面安全方位的覆蓋。如果直接對傳統的8單元圓環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，實現波束的賦形，就需要對Bulter多波束矩陣進行相應地改進，如圖3所示。與傳統的Bulter多波束矩陣相比，它添加了8個額外的移相器，這樣該圓環陣就能夠產生了8個固定波束，實現對水平面的全方位覆蓋，如圖2（b）所示。

圖2

    假設在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，假設初相相位為零，K=2π/λ為自由空間波系，α為圓環陣半徑，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。

    圖4所示的直角坐標下，8個端口同時饋電時所形成的并行波束。可以看到，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，天線陣的性能遠遠好于未改進的Bulter網絡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多波束形成網絡的優化

在實際應用中，為了減弱小區間和小區內用戶間的干擾、降低呼損、調整天線陣覆蓋范圍，就需要對Bulter多波束形成網絡進一步優化。對于圖5（a）所示的二元天線陣，由方向性增強原則可知：在輸入功率相同的條件下，遠區M點所得到的場強，二元陣比單個陣字時增強了根號2倍。但是在其它方向上就要具體分析，對于遠區N點方向，當兩射線的行程差為dcosθ=λ/2時，其引起的相位差為π，表示兩陣子