摘 要: 給出了一種適用于TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA系統(tǒng)面天線陣" title="天線陣">天線陣的改進(jìn)Bulter多波束" title="多波束">多波束矩陣方法,在傳統(tǒng)的Bulter 多波束矩陣的基礎(chǔ)上,,通過添加8個(gè)額外的移相器,,使之產(chǎn)生8個(gè)并行波束,實(shí)現(xiàn)了對360°" title="360°">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(dòng)通信的發(fā)展中,,中國丟失了第一代,,錯(cuò)過了第二代,而TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)為中國第三代移動(dòng)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(shí)時(shí)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(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū),,波束指向固定,,不需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)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(shí)現(xiàn)。TD-SCDMA系統(tǒng)的多波束智能天線由8個(gè)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)Butler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),、Butler多波束矩陣等,。用Bulter多波束矩陣獲得的每一個(gè)波束,都能得到整個(gè)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(gè)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" title="方向圖">方向圖的綜合,。本文通過對傳統(tǒng)的Butler多波束矩陣改進(jìn)和優(yōu)化,較好地實(shí)現(xiàn)了對水平面的全方位覆蓋,。
1.1 對Butler多波束天線陣的改進(jìn)
傳統(tǒng)的Butler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(shí)現(xiàn)對360°水平面完全方位的覆蓋,。如果直接對傳統(tǒng)的8單元圓環(huán)Butler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(dòng)通信。
為了用Butler多波束矩陣得到理想的方向圖特性,,實(shí)現(xiàn)波束的賦形,,就需要對Butler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Butler多波束矩陣相比,,它添加了8個(gè)額外的移相器,這樣該圓環(huán)陣就能夠產(chǎn)生8個(gè)固定波束,,實(shí)現(xiàn)對水平面的全方位覆蓋,,如圖2(b)所示。
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(shí),,天線陣的方向性函數(shù)為:
其中,,I為端口的饋電電流幅度,假設(shè)初相相位為零,,K=2π/λ為自由空間波數(shù),,a是圓環(huán)陣半徑,當(dāng)a=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(shí)天線陣的方向性函數(shù)。
圖4所示為直角坐標(biāo)下,,8個(gè)端口同時(shí)饋電時(shí)所形成的并行波束,。可以看到,,8個(gè)并行波束可覆蓋整個(gè)360°水平面,,主瓣增益高出副瓣8dB,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Butler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,那么天線的性能會(huì)受到影響,,并且要對天線陣的半徑a重新優(yōu)化,。但是,天線陣的整體性能不會(huì)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(shí)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)原理可知: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(gè)陣子時(shí)增強(qiáng)了倍,。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(shí),,其引起的相位差為π,,表示兩陣子到達(dá)該點(diǎn)的場強(qiáng)等值反相,合成場為零。因此,,由于兩個(gè)陣子的場在空間相互干涉,,使某些方向的輻射增強(qiáng),另一些方向的輻射減弱,,從而可使主瓣變窄,。
由此,用兩個(gè)改進(jìn)后8單元圓環(huán)Butler多波束形成網(wǎng)絡(luò)代替圖5(a)中的天線陣子Ⅰ和Ⅱ,,如圖5(b)所示,。這樣就可以改變垂直分量和水平分量的幅值大小,改變合成分量場強(qiáng)強(qiáng)度,,從而調(diào)整天線的垂直方向性圖下傾,。由于天線各方向的場強(qiáng)強(qiáng)度同時(shí)增大或減小,保證在改變傾角后天線方向圖變化不大,,僅使主瓣變窄,,達(dá)到調(diào)整服務(wù)小區(qū)扇區(qū)內(nèi)覆蓋面積、降低呼損和減小干擾的目的,。
2 結(jié)論
本文對傳統(tǒng)的Bulter多波束矩陣進(jìn)行了改進(jìn),,使之適用于TD-SCDMA系統(tǒng)面天線陣,產(chǎn)生8個(gè)并行波束,,實(shí)現(xiàn)對360°水平面的覆蓋,,并提出對改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步優(yōu)化的方案,使TD-SCDMA系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量得到較好的改善,。
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