一种八单元圆环阵实现多波束的方法

给出了一种用改进的Butler八单元圆环阵实现固定多波束天线阵的方法。天线阵由八个垂直地面放置的半波振子组成，通过改变馈电端口来控制波束的指向。由于添加了八个额外的移相器，可产生八个并行波束实现对水平面的完全覆盖，并可用于信号到达角的粗略估计。
关 键 词 Butler网络; 圆环阵; 固定多波束天线阵; 移相器

随着移动通信的迅速发展，传统的多址方式，如CDMA、FDMA、TDMA等，已不能满足日益增长的扩容需要。90年代初，文献[1]提出了智能天线的概念，其基本思想是利用信号空间特征差异，将同频率、同时隙的信号加以分离，从而达到扩容的目的。这就将通信资源由码域、频域、时域扩展到了空间域，属于空分多址体制。智能天线正是利用空分多址的思想，大大提高了信道的利用率。
智能天线一般可分为两类：自适应天线阵和多波束天线阵。自适应天线阵由于其跟踪信号需要依赖于算法的实现，因此具有响应速度慢、不能实时处理信号的缺点。而多波束天线阵则是利用多个并行波束覆盖整个用户区，波束指向固定。与自适应天线阵相比，具有不需要进行复杂计算和加权处理的优点。
多波束天线阵的实现有很多种方法，用Butler网络加以实现即是其中的一种。传统的Butler网络[2]适用于直线阵，且只能产生偶对称的波束，其方向图不能覆盖360o水平面。而文献[3]对Butler网络进行了改进，使其用于面阵。由于其讨论的仅是四单元菱形布阵，其适用性受到限制。本文对传统的Butler网络进行改进，采用八个垂直地面放置的半波振子组成的圆环阵，通过引入八个额外的移相器，使之产生八个固定波束，实现对水平面的全方位覆盖。由于天线阵的阵元间存在互耦，因此本文还利用互阻抗法讨论了在考虑互耦时天线阵的设计方法以及失配对圆环阵方向图的影响。

1 八单元圆环阵Butler多波束天线阵
传统的Butler网络只适用于直线阵，当天线阵为八个垂直地面放置的半波振子组成的圆环阵时,如直接对其馈电则此时的方向图如图2所示。
由图2可以看出，各波束无固定指向，主、副瓣不明显，根本无法应用于移动通信。于是，本文对传统的Butler网络进行了改进。图3是改进后的Butler网络。与传统网络相比，它添加了八个额外移相器，天线阵为八个垂直地面放置的半波振子组成的圆环阵。此时, 各天线单元的馈电相位已知。

2 方向图仿真分析

2.1 不考虑互耦时
为得到确定的方向性函数，必须确定圆环阵的半径a。通过波束仿真分析，得到当λ4.0=a时，天线性能最佳。图4是当λ4.0=a时八单元圆环阵的极坐标方向图。不考虑互耦时，圆环阵环径λ4.0=a，天线阵形成八个并行波束覆盖整个360o水平面，波束指向固定，半功率波瓣宽度为50o，主瓣电平约为8 dB，天线性能良好，为便于下面讨论，给出直角坐标下的天线阵方向图如图5所示。