一種mimo天線互耦特性快速分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線電磁分析領(lǐng)域，具體的涉及一種MMO天線互耦特性快速分析方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] MMO技術(shù)是滿足高速率、大容量的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)克服高速數(shù)據(jù)在無(wú)線信道下的 多徑衰落而提出的新技術(shù)，并已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)有的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中。然而，在MMO天線 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于天線間的互耦效應(yīng)，再加上無(wú)線多徑信道散射條件不豐富的原因，信 道特性的分布并不完全獨(dú)立；因此在計(jì)算信道容量時(shí)，必須考慮子信道間的空域相關(guān)性，而 MMO陣元間的互耦與信道容量有著密切的關(guān)系；此外，陣元間的互耦影響MMO天線的波束 成形效果因而研宄MMO天線互耦特性，是提高其信道容量和波束成形效果必需要解決的 問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)有的分析MMO天線互耦特性的主要方法有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法、散射矩陣法和矩量 法等。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法是通過(guò)分析單元天線上的電流分布，通過(guò)積分方程計(jì)算出相鄰天線上 的互阻抗，得出天線陣列的互耦影響。但是現(xiàn)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法適用于電流分布呈現(xiàn)近似規(guī) 律的線天線中，并且計(jì)算過(guò)程中存在大量的積分和微分運(yùn)算；在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線互耦 計(jì)算時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，并存在不可忽略的計(jì)算誤差。散射矩陣法對(duì)任何 形式的單元結(jié)構(gòu)都適用，是一種比較實(shí)用的一種方法。它把具有n個(gè)陣元的真理看成n端 口網(wǎng)絡(luò)，采用散射參量法，建立各個(gè)端口的入射波和反射波得散射矩陣，用以表征各個(gè)陣元 的耦合關(guān)系。然而隨著陣元數(shù)目的增多，散射矩陣維數(shù)隨之增多，散射矩陣將難以精確計(jì) 算。矩量法是處理電磁散射問(wèn)題最常見(jiàn)的數(shù)值方法，其基本思路是將物理模型離散化，選 擇表示未知量的基函數(shù)和加權(quán)函數(shù)，用內(nèi)積的方法計(jì)算矩陣元素中未知量的分布，最終表 示出需要求解的物理問(wèn)題。矩量法作為典型的數(shù)值計(jì)算方法，處理單元天線或小規(guī)模陣列 天線的互耦問(wèn)題具有較高的計(jì)算精度；但是利用矩量法分析大規(guī)模MMO天線陣列的互耦 時(shí)，需要將天線陣列整體剖分為足夠數(shù)量的網(wǎng)格單元，并計(jì)算任意網(wǎng)格之間的相互影響，計(jì) 算量巨大且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)MMO天線互耦特性的快速分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的分析MMO天線互耦特性的主要方法有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法、散射矩 陣法和矩量法，分別存在一下問(wèn)題：（1)在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線互耦計(jì)算時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法 計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，并存在不可忽略的計(jì)算誤差；（2)隨著陣元數(shù)目的增多，散射矩陣維數(shù) 隨之增多，散射矩陣將難以精確計(jì)算；（3)矩量法作為典型的數(shù)值計(jì)算方法，需要將天線陣 列整體剖分為足夠數(shù)量的網(wǎng)格單元，并計(jì)算任意網(wǎng)格之間的相互影響，計(jì)算量巨大且計(jì)算 過(guò)程復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)MMO天線互耦特性的快速分析。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種MMO 天線互耦特性快速分析方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種MMO天線陣列的互耦特性快速分析方法，該快速分析 方法包括以下步驟： 步驟1:基于單元天線的場(chǎng)模型，建立表征散射場(chǎng)系數(shù)與入射場(chǎng)系數(shù)的關(guān)系式：
步驟2、利用迭代散射算法，確定迭代后不同單元天線的散射場(chǎng)系數(shù)之間的關(guān)系：
步驟3、對(duì)陣列中的天線單元分別進(jìn)行激勵(lì)，依據(jù)天線間散射場(chǎng)的迭代規(guī)律，確定任意 單元之間的S參數(shù)，其中S為互偶特性，S的計(jì)算公式為：
[0006] 所述的MMO天線陣列的互耦特性快速分析方法，所述步驟1的具體實(shí)現(xiàn)方式為： 首先：假設(shè)單元天線1的等效入射場(chǎng)可以按照柱面波函數(shù)展開(kāi)為：
其中，Etl為初始電場(chǎng)幅值，為待求天線1的入射場(chǎng)系數(shù),JnQc ciP )表示貝塞爾函數(shù)； 其次：根據(jù)步驟1產(chǎn)生的散射場(chǎng)為盡：
其中，AU為待求天線1的散射場(chǎng)系數(shù)，成2|認(rèn)。/>)表示第二類漢克爾函數(shù)； 最后：將波函數(shù)展開(kāi)式變?yōu)榫仃囆问剑Y(jié)合天線表面的邊界條件，得到天線1的散射場(chǎng) 系數(shù)與入射場(chǎng)系數(shù)之間的關(guān)系
所述的MMO天線陣列的互耦特性快速分析方法，所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)方式為： 假設(shè)單元天線的個(gè)數(shù)為I，?。ǔサ趇個(gè)天線外的）I-I個(gè)天線的散射場(chǎng)作為第i個(gè) 天線的散射場(chǎng)，即有以下關(guān)系式：
其中，"為天線j的散射場(chǎng)系數(shù)； 通過(guò)相應(yīng)的公式推導(dǎo)和矩陣運(yùn)算，可以得到迭代V次后天線i的散射場(chǎng)系數(shù)與天 線j散射場(chǎng)系數(shù)4:::°之間的關(guān)系：
[0007] 所述的MMO天線陣列的互耦特性快速分析方法，所述步驟3的具體實(shí)現(xiàn)方式為： 對(duì)于mXn個(gè)單元天線陣，假設(shè)天線i存在入射場(chǎng)乂If，其余天線沒(méi)有激勵(lì)場(chǎng)，根據(jù)迭代 散射理論，不同迭代次數(shù)下天線陣列的迭代關(guān)系如下表所示；表中僅天線i存在激勵(lì)迭代 時(shí)的關(guān)系，
從表中可以看出，只對(duì)天線i激勵(lì)時(shí)，第0次、第1次迭代場(chǎng)需要單獨(dú)計(jì)算，當(dāng)?shù)螖?shù) 超過(guò)2次后按照V多2部分進(jìn)行；設(shè)總迭代次數(shù)為V，則只在天線i上存在入射場(chǎng)時(shí)，相應(yīng) 的散射矩陣如下：
其中，Ht為切向磁場(chǎng)，E t為切向電場(chǎng)，S取覆蓋天線口徑區(qū)域的閉合平面。 確定任意天線i在廣義傳輸線端口處（Zi= z M位置）的u i (Zcii)、Uj (Ztlj)，確定入射波 81與反射波b i:
[0008] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將單元天線的散射場(chǎng)作為分析基礎(chǔ)，減少了 MMO天 線的剖分?jǐn)?shù)量，計(jì)算速度快；本發(fā)明利用迭代散射算法分析天線間的相互影響，能夠直接計(jì) 算出陣列天線之間的互耦特性；本發(fā)明將天線單元的場(chǎng)與迭代互耦場(chǎng)進(jìn)行分開(kāi)計(jì)算，便于 算法的模塊化實(shí)現(xiàn)，并提高計(jì)算精度。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1兩個(gè)天線互耦模型圖； 圖2mXn個(gè)單元天線陣模型示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0010] 實(shí)施例1 :結(jié)合圖1-圖2, 一種MMO天線陣列的互耦特性快速分析方法，其特征在 于：該快速分析方法包括以下步驟：
[0011] 步驟1、基于單元天線的場(chǎng)模型，建立表征散