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

隨著移動(dòng)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(zhǎng)的擴(kuò)容需要。90年代初，文獻(xiàn)[1]提出了智能天線的概念，其基本思想是利用信號(hào)空間特征差異，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)加以分離，從而達(dá)到擴(kuò)容的目的。這就將通信資源由碼域、頻域、時(shí)域擴(kuò)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(yīng)天線陣和多波束天線陣。自適應(yīng)天線陣由于其跟蹤信號(hào)需要依賴于算法的實(shí)現(xiàn)，因此具有響應(yīng)速度慢、不能實(shí)時(shí)處理信號(hào)的缺點(diǎn)。而多波束天線陣則是利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，波束指向固定。與自適應(yīng)天線陣相比，具有不需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和加權(quán)處理的優(yōu)點(diǎn)。
多波束天線陣的實(shí)現(xiàn)有很多種方法，用Butler網(wǎng)絡(luò)加以實(shí)現(xiàn)即是其中的一種。傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡(luò)[2]適用于直線陣，且只能產(chǎn)生偶對(duì)稱的波束，其方向圖不能覆蓋360o水平面。而文獻(xiàn)[3]對(duì)Butler網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，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(duì)傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，采用八個(gè)垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣，通過引入八個(gè)額外的移相器，使之產(chǎn)生八個(gè)固定波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)天線陣的設(shè)計(jì)方法以及失配對(duì)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(luò)只適用于直線陣，當(dāng)天線陣為八個(gè)垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣時(shí),如直接對(duì)其饋電則此時(shí)的方向圖如圖2所示。
由圖2可以看出，各波束無(wú)固定指向，主、副瓣不明顯，根本無(wú)法應(yīng)用于移動(dòng)通信。于是，本文對(duì)傳統(tǒng)的Butler網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)。圖3是改進(jìn)后的Butler網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，它添加了八個(gè)額外移相器，天線陣為八個(gè)垂直地面放置的半波振子組成的圓環(huán)陣。此時(shí), 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(shí)
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(dāng)λ4.0=a時(shí)，天線性能最佳。圖4是當(dāng)λ4.0=a時(shí)八單元圓環(huán)陣的極坐標(biāo)方向圖。不考慮互耦時(shí)，圓環(huán)陣環(huán)徑λ4.0=a，天線陣形成八個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)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(biāo)下的天線陣方向圖如圖5所示。