基于改進(jìn)型巴特勒矩陣的短波8 元圓環(huán)陣列多波束技術(shù)研究*

趙 明，周川島，謝 旭

（1.海軍裝備部，北京 100040；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430030）

0 引 言

短波通信是一種重要的超視距通信手段，是目前唯一無(wú)需中繼的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)電通信手段。短波通信設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低，無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的短波接收天線(xiàn)要么為低方向性增益的全向（或弱方向）接收天線(xiàn)，要么為高方向性增益的單個(gè)定向波束接收天線(xiàn)。全向（或弱方向）接收天線(xiàn)各個(gè)方向增益相同（或相差不大）且較低，因此抗干擾能力差；而單個(gè)定向波束接收天線(xiàn)只能對(duì)準(zhǔn)單一方向，無(wú)法接收到來(lái)自其他方向的信號(hào)，大大限制了通信質(zhì)量和通信對(duì)象的數(shù)量。相控陣多波束技術(shù)[1-2]能有效解決上述問(wèn)題。短波多波束天線(xiàn)基于一個(gè)天線(xiàn)陣列，通過(guò)對(duì)各陣元饋電幅度和相位的控制，根據(jù)來(lái)波方向計(jì)算能夠形成高方向性增益的單一主瓣或同時(shí)形成多個(gè)波束。將形成的多個(gè)高方向性增益波束對(duì)準(zhǔn)不同方位的多個(gè)用戶(hù)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線(xiàn)陣列同時(shí)對(duì)多個(gè)用戶(hù)的高方向性增益收信，也可將陣列方向圖零陷對(duì)準(zhǔn)干擾較強(qiáng)的方向，達(dá)到通信抗干擾的目的。

本文基于傳統(tǒng)的8×8 巴特勒矩陣[3-5]的矩陣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的8×8 巴特勒矩陣。傳統(tǒng)巴特勒矩陣應(yīng)用在均勻線(xiàn)性陣列天線(xiàn)[6]，使線(xiàn)性陣列天線(xiàn)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立波束，而改進(jìn)后的8×8 巴特勒矩陣能夠應(yīng)用在均勻圓環(huán)陣列，使圓環(huán)陣列同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立波束，提高均勻圓環(huán)陣列天線(xiàn)方向圖特性。

1 改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 為改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣的結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)輸入－輸出端的相對(duì)相移見(jiàn)表1。

圖1 改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣

表1 改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣輸入/輸出端相對(duì)相移

P1、P4、P5 和P8 四個(gè)輸入端分別在8 個(gè)輸出端得到得到了2 組相位差為90°的4 元素相位等差數(shù)列；而P2、P3、P6、P7 輸入端盡管沒(méi)有2 組相位等差數(shù)列，但是有4 個(gè)端口相位為均180°，另外4 個(gè)相位分別為2 個(gè)270°和2 個(gè)90°，可以組成2 組270°、180°、90°的3 元素相位等差數(shù)列。在均勻8 元圓環(huán)陣列中，先考慮將3 元素相位等差數(shù)列分別置于沿著波束指向的3 個(gè)水平線(xiàn)上的3 組陣元，該巴特勒矩陣輸出端與圓形陣陣元的連接方式如圖2 所示。這種組陣方式保證了P2、P3、P6、P7 四個(gè)端口能夠分別得到輸出端相對(duì)相位為3元素等差數(shù)列的單一波束，且4 個(gè)波束分別指向4個(gè)方向。

圖2 改進(jìn)后8×8 巴特勒矩陣連接方式

2 改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣仿真分析

利用FEKO 仿真8 個(gè)輸入端在f=7 MHz 時(shí)的方向圖，如圖3 所示。從圖3 可以看出，P2、P3、P6、P7 輸 入 端 在202.5 °、292.5 °、112.5 °、22.5°方向上得到了方向性較強(qiáng)的單一波束，而P1、P4、P5、P8 產(chǎn)生相同的2 個(gè)波瓣，P1、P4、P5、P8 之間以及P2、P3、P6、P7 之間方向圖特性相同，只是波束指向不同，所以只對(duì)P1、P2 兩端口方向圖特性進(jìn)行仿真分析。

圖3 改進(jìn)后8×8 巴特勒矩陣輸入端方向圖

圖4 給出了P1、P2 兩端口分別在157.5°和202.5°方向上的方向性增益變化曲線(xiàn)。在此頻段，它的方向性增益平均值分別為8.2 dBi 和9.8 dBi，且最大值分別為10.3 dBi 和11.9 dBi。

圖4 P1、P2 端口在157.5°和202.5°方向上方向性增益

圖5 給出了P1、P2 兩端口主瓣3 dB 寬度的變化曲線(xiàn)。P2 在低頻時(shí)主瓣較寬，其主瓣3 dB 平均寬度分別為60°和89°，兩端口在f=7 MHz 時(shí)主瓣寬度同時(shí)達(dá)到最小，與其主瓣方向性增益在f=7 MHz 達(dá)到最大。從方向性增益和主瓣寬度兩個(gè)特性看，此種結(jié)構(gòu)的8×8 巴特勒矩陣能在P2、P3、P6、P7 產(chǎn)生高增益、強(qiáng)方向性的單一波束；在P1、P4、P5、P8 端口產(chǎn)生兩個(gè)相同的波瓣，其方向性增益相對(duì)較低，且端口之間存在波束交叉。

如果選擇P2、P3、P6、P7 四個(gè)端口產(chǎn)生的4個(gè)波束和P1、P8 兩個(gè)端口產(chǎn)生的4 個(gè)波束（每個(gè)端口有2 個(gè)波束），共得到8 個(gè)波束，其方向圖組合可以實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，如圖6 所示。

圖5 P1、P2 端口主瓣3 dB 寬度

圖6 6 個(gè)輸入端口方向圖

圖6 中相鄰兩個(gè)主瓣交叉點(diǎn)的方向性增益為8.6 dBi?；诟倪M(jìn)型8×8 巴特勒矩陣的8 元圓環(huán)陣列中，舍棄了P4、P5 兩個(gè)端口對(duì)應(yīng)的波束。6 個(gè)端口P1、P2、P3、P6、P7、P8 能夠?qū)崿F(xiàn)全向覆蓋，但在指向?yàn)?57.5°、67.5°、337.5°、247.5°的4 個(gè)波束的方向性增益低于指向?yàn)?02.5°、292.5°、112.5°、22.5°的4 個(gè)波束的方向性增益。對(duì)于均勻8 元圓環(huán)陣列，相比于標(biāo)準(zhǔn)8×8 巴特勒矩陣波束成形網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣波束成形網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)明顯，不僅可產(chǎn)生6 個(gè)波束實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，而且在202.5°、292.5°、112.5°、22.5°方向上，方向性增益提高了約1 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了改進(jìn)型8×8 巴特勒矩陣，使8 元均勻圓環(huán)陣列同時(shí)產(chǎn)生6 個(gè)獨(dú)立波束，在P2、P3、P6、P7 四個(gè)端口均得到獨(dú)立的單個(gè)波束，在3 ～11 MHz 頻率范圍內(nèi)方向性增益平均值為8.2 dBi；在P1、P4、P5、P8 四個(gè)端口均得到2 個(gè)波束，在3 ～11 MHz 頻率范圍內(nèi)方向性增益平均值為9.8 dBi。它使均勻圓環(huán)陣列同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立波束，提高了波束方向性的同時(shí)提高了增益，相比于傳統(tǒng)全向或單一指向天線(xiàn)有更好的應(yīng)用價(jià)值。