Bulter多波束矩阵在TD-SCDMA系统中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网 关键字:波束  矩阵  系统  应用
摘要:给出了一种适用于TD-SCDMA系统面天线阵的改进Bulter多波束矩阵方法,在传统的Bulter多次束矩阵的基础上,通过添加8个额外的移相器,使之产生8个并行波束,实现了对360%26;#176;水平面的覆盖。提出了对改进后Bulter多波束形成网络的进一步优化方案,使TD-SCDMA系统的服务质量得到较好的改善。 关键词:Bulter多波束矩阵 TD-SCDMA 波束赋形 移相器 在移动通信的发展中,中国丢失了第一代,错过了第二代,而TD-SCDMA(时分同步码分多址)为中国第三代移动通信的发展提供了千载难逢的机遇。TD-SCDMA系统的智能天线一般可分为两类:自适应天线系统和多波束天线系统。自适应天线系统由于跟踪信号需要依赖算法和信号处理技术,因此响应速度慢、不能实时处理信号,但是能够形成较为理想的天线波束;而多波束切换天线系统是利用多个并行波束覆盖整个用户区,波束指向固定,不需要进行复杂计算和加权,与自适应天线系统相比,波束形状简单固定,易于实现。TD-SCDMA系统的多波束智能天线由8个垂直地面放置的半波阵子组成同心圆环阵,直径为25cm,如图1所示。与全方向天线相比,它可获得8dB的增益。 1 8单元圆环Bulter多波束天线阵 多波束智能天线的波束赋形方法很多,如利用Blass多波束形成网络、Bulter多波束矩阵等。用Bulter多波束矩阵获得的每一个波束,都能得到整个天线面所提供的天线增益,所以,波束形成网络是无损的;此外,Bulter多波束形成网络形成的多个波束是相互正交的,这一特性有利于对其它复杂形状天线波瓣方向图的综合。本文通过对传统的Bulter多波束矩阵改进和优化,较好地实现了对水平面的全方位覆盖。 1.1 对Bulter多波束天线阵的改进 传统的Bulter多波束矩阵只适用于线性阵,它产生一种偶对称的波瓣,不能实现对360%26;#176;水平面安全方位的覆盖。如果直接对传统的8单元圆环Bulter多波束矩阵馈电,则形成的方向图中主、副瓣不明显,如图2(a)所示,无法用于移动通信。 为了用Bulter多波束矩阵得的理想的方向图特性,实现波束的赋形,就需要对Bulter多波束矩阵进行相应地改进,如图3所示。与传统的Bulter多波束矩阵相比,它添加了8个额外的移相器,这样该圆环阵就能够产生了8个固定波束,实现对水平面的全方位覆盖,如图2(b)所示。 图2 假设在P1端口馈电,各天线阵元馈电电流相位分别为:67.5%26;#176;、225%26;#176;247.5%26;#176;、315%26;#176;、247.5%26;#176;、225、427.5%26;#176;、315。此时,天线阵的方向性函数为: F1(ψ)=(I/8){exp(j(67.5%26;#176;+kasin(ψ)))+exp(j(225%26;#176;+kasin(ψ-45)))+exp(j(247.5%26;#176;+kasin(ψ-90%26;#176;)))+exp(j(315%26;#176;+kasin(ψ-135%26;#176;)))+exp(j(247.5%26;#176;+kasin(ψ-180%26;#176;)))+exp(j(255%26;#176;+kasin(ψ-255%26;#176;)+exp(j(447.5%26;#176;+kasin(ψ-270%26;#176;)))+exp(315%26;#176;+kasin(ψ-135%26;#176;)))) 其中,I为端口馈电电流幅度,假设初相相位为零,K=2π/λ为自由空间波系,α为圆环阵半径,为α=0.4λ,天线性能最佳。同理可推出P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8端口馈电时天线阵的方向性函数。 图4所示的直角坐标下,8个端口同时馈电时所形成的并行波束。可以看到,8个并行波束可覆盖整个360%26;#176;水平面,主瓣增益高出副瓣3dB,并且主瓣与副瓣的压制比大大提高,能量主要集中在天线的主瓣上,因此,天线阵的性能远远好于未改进的Bulter网络所形成的天线阵方向图。 以上讨论均未考虑天线阵元间互耦的影响。如果考虑天线阵元间互耦的影响,那么天线的性能估受影响,并且要对天线阵的半径α重新优化。但是,天线阵的整体性能不会有太大的变化。 1.2 对Bulter多波束形成网络的优化 在实际应用中,为了减弱小区间和小区内用户间的干扰、降低呼损、调整天线阵覆盖范围,就需要对Bulter多波束形成网络进一步优化。对于图5(a)所示的二元天线阵,由方向性增强原则可知:在输入功率相同的条件下,远区M点所得到的场强,二元阵比单个阵字时增强了根号2倍。但是在其它方向上就要具体分析,对于远区N点方向,当两射线的行程差为dcosθ=λ/2时,其引起的相位差为π,表示两阵子到达该点的场强等值反相,合成场为零。因此,由于两个阵子的场在空间相互干涉,使某些方向的辐射增强,另一些方向的辐射减弱,从而可使主瓣变窄。 由此,用两个改进后8单元圆环Bulter多波束形成网络代替图5(a)中的天线阵子I和II,如图5(b)所示。这样就可以改变垂直分量和水平分量的幅值大小,改变合成分量场强强度,从而调整天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大或减小,保证在改变倾角后天线方向圆变化不大,仅使主瓣变窄,达到调整服务小区扇区内覆盖面积、降低呼损和减小干扰的目的。 2 结论 本文对传统的Bulter多波束矩阵进行了改进,使之使用了TD-SCDMA系统面天线阵,产生8个并行波束,实现对360%26;#176;水平面的酸辣,并提出对改进后网络进一步优化的方案,使TD-SCDMA系统的服务质量得到较好的改善。

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