基于改進型巴特勒矩陣的短波8 元圓環陣列多波束技術研究*

趙 明，周川島，謝 旭

（1.海軍裝備部，北京 100040；2.海軍工程大學，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，是目前唯一無需中繼的遠程無線電通信手段。短波通信設備簡單、運行成本低，無論在軍用還是民用領域都發揮著重要作用。傳統的短波接收天線要么為低方向性增益的全向（或弱方向）接收天線，要么為高方向性增益的單個定向波束接收天線。全向（或弱方向）接收天線各個方向增益相同（或相差不大）且較低，因此抗干擾能力差；而單個定向波束接收天線只能對準單一方向，無法接收到來自其他方向的信號，大大限制了通信質量和通信對象的數量。相控陣多波束技術[1-2]能有效解決上述問題。短波多波束天線基于一個天線陣列，通過對各陣元饋電幅度和相位的控制，根據來波方向計算能夠形成高方向性增益的單一主瓣或同時形成多個波束。將形成的多個高方向性增益波束對準不同方位的多個用戶，可實現一個天線陣列同時對多個用戶的高方向性增益收信，也可將陣列方向圖零陷對準干擾較強的方向，達到通信抗干擾的目的。

本文基于傳統的8×8 巴特勒矩陣[3-5]的矩陣結構，設計了改進型的8×8 巴特勒矩陣。傳統巴特勒矩陣應用在均勻線性陣列天線[6]，使線性陣列天線產生多個獨立波束，而改進后的8×8 巴特勒矩陣能夠應用在均勻圓環陣列，使圓環陣列同時產生多個獨立波束，提高均勻圓環陣列天線方向圖特性。

1 改進型8×8 巴特勒矩陣結構設計

圖1 為改進型8×8 巴特勒矩陣的結構，其對應輸入－輸出端的相對相移見表1。

圖1 改進型8×8 巴特勒矩陣

表1 改進型8×8 巴特勒矩陣輸入/輸出端相對相移

P1、P4、P5 和P8 四個輸入端分別在8 個輸出端得到得到了2 組相位差為90°的4 元素相位等差數列；而P2、P3、P6、P7 輸入端盡管沒有2 組相位等差數列，但是有4 個端口相位為均180°，另外4 個相位分別為2 個270°和2 個90°，可以組成2 組270°、180°、90°的3 元素相位等差數列。在均勻8 元圓環陣列中，先考慮將3 元素相位等差數列分別置于沿著波束指向的3 個水平線上的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 四個端口能夠分別得到輸出端相對相位為3元素等差數列的單一波束，且4 個波束分別指向4個方向。

圖2 改進后8×8 巴特勒矩陣連接方式

2 改進型8×8 巴特勒矩陣仿真分析

利用FEKO 仿真8 個輸入端在f=7 MHz 時的方向圖，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的單一波束，而P1、P4、P5、P8 產生相同的2 個波瓣，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P1、P2 兩端口方向圖特性進行仿真分析。

圖3 改進后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。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。P2 在低頻時主瓣較寬，其主瓣3 dB 平均寬度分別為60°和89°，兩端口在f=7 MHz 時主瓣寬度同時達到最小，與其主瓣方向性增益在f=7 MHz 達到最大。從方向性增益和主瓣寬度兩個特性看，此種結構的8×8 巴特勒矩陣能在P2、P3、P6、P7 產生高增益、強方向性的單一波束；在P1、P4、P5、P8 端口產生兩個相同的波瓣，其方向性增益相對較低，且端口之間存在波束交叉。

如果選擇P2、P3、P6、P7 四個端口產生的4個波束和P1、P8 兩個端口產生的4 個波束（每個端口有2 個波束），共得到8 個波束，其方向圖組合可以實現全向覆蓋，如圖6 所示。

圖5 P1、P2 端口主瓣3 dB 寬度

圖6 6 個輸入端口方向圖

圖6 中相鄰兩個主瓣交叉點的方向性增益為8.6 dBi。基于改進型8×8 巴特勒矩陣的8 元圓環陣列中，舍棄了P4、P5 兩個端口對應的波束。6 個端口P1、P2、P3、P6、P7、P8 能夠實現全向覆蓋，但在指向為157.5°、67.5°、337.5°、247.5°的4 個波束的方向性增益低于指向為202.5°、292.5°、112.5°、22.5°的4 個波束的方向性增益。對于均勻8 元圓環陣列，相比于標準8×8 巴特勒矩陣波束成形網絡，改進型8×8 巴特勒矩陣波束成形網絡優勢明顯，不僅可產生6 個波束實現全向覆蓋，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 語

本文設計了改進型8×8 巴特勒矩陣，使8 元均勻圓環陣列同時產生6 個獨立波束，在P2、P3、P6、P7 四個端口均得到獨立的單個波束，在3 ～11 MHz 頻率范圍內方向性增益平均值為8.2 dBi；在P1、P4、P5、P8 四個端口均得到2 個波束，在3 ～11 MHz 頻率范圍內方向性增益平均值為9.8 dBi。它使均勻圓環陣列同時產生多個獨立波束，提高了波束方向性的同時提高了增益，相比于傳統全向或單一指向天線有更好的應用價值。