[发明专利]一种MIMO天线互耦特性的快速分析方法

说明书

技术领域

本发明属于天线电磁分析领域，具体的涉及一种MIMO天线互耦特性快速分析方法。

背景技术

MIMO技术是满足高速率、大容量的业务需求，同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落而提出的新技术，并已经应用到现有的4G移动通信系统中。然而，在MIMO天线系统设计过程中，由于天线间的互耦效应，再加上无线多径信道散射条件不丰富的原因，信道特性的分布并不完全独立；因此在计算信道容量时，必须考虑子信道间的空域相关性，而MIMO阵元间的互耦与信道容量有着密切的关系；此外，阵元间的互耦影响MIMO天线的波束成形效果因而研究MIMO天线互耦特性，是提高其信道容量和波束成形效果必需要解决的问题。

现有的分析MIMO天线互耦特性的主要方法有感应电动势法、散射矩阵法和矩量法等。感应电动势法是通过分析单元天线上的电流分布，通过积分方程计算出相邻天线上的互阻抗，得出天线阵列的互耦影响。但是现有感应电动势法适用于电流分布呈现近似规律的线天线中，并且计算过程中存在大量的积分和微分运算；在大规模复杂结构天线互耦计算时，感应电动势法计算过程十分复杂，并存在不可忽略的计算误差。散射矩阵法对任何形式的单元结构都适用，是一种比较实用的一种方法。它把具有n个阵元的真理看成n端口网络，采用散射参量法，建立各个端口的入射波和反射波得散射矩阵，用以表征各个阵元的耦合关系。然而随着阵元数目的增多，散射矩阵维数随之增多，散射矩阵将难以精确计算。矩量法是处理电磁散射问题最常见的数值方法，其基本思路是将物理模型离散化，选择表示未知量的基函数和加权函数，用内积的方法计算矩阵元素中未知量的分布，最终表示出需要求解的物理问题。矩量法作为典型的数值计算方法，处理单元天线或小规模阵列天线的互耦问题具有较高的计算精度；但是利用矩量法分析大规模MIMO天线阵列的互耦时，需要将天线阵列整体剖分为足够数量的网格单元，并计算任意网格之间的相互影响，计算量巨大且计算过程复杂，很难实现MIMO天线互耦特性的快速分析。

发明内容

本发明针对现有的分析MIMO天线互耦特性的主要方法有感应电动势法、散射矩阵法和矩量法，分别存在一下问题：(1)在大规模复杂结构天线互耦计算时，感应电动势法计算过程十分复杂，并存在不可忽略的计算误差；(2)随着阵元数目的增多，散射矩阵维数随之增多，散射矩阵将难以精确计算；(3)矩量法作为典型的数值计算方法，需要将天线阵列整体剖分为足够数量的网格单元，并计算任意网格之间的相互影响，计算量巨大且计算过程复杂，很难实现MIMO天线互耦特性的快速分析。针对上述问题，本发明提出一种MIMO天线互耦特性快速分析方法。

本发明的技术方案是：一种MIMO天线阵列的互耦特性快速分析方法，该快速分析方法包括以下步骤：

步骤1：基于单元天线的场模型，建立表征散射场系数与入射场系数的关系式：

或其中，为待求天线1的散射场系数，为待求天线1的入射场系数，G(ρ,φ,z)为无界空间中的格林函数，(ρ,φ,z)分别代表求坐标系中的三个分量；

步骤2、利用迭代散射算法，确定迭代后不同单元天线的散射场系数之间的关系：

为天线j的散射场系数，v表示迭代次数；

步骤3、对阵列中的天线单元分别进行激励，依据天线间散射场的迭代规律，确定任意单元之间的S参数，其中S为互藕特性，S的计算公式为：

所述的MIMO天线阵列的互耦特性快速分析方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方式为：

首先：假设单元天线1的等效入射场可以按照柱面波函数展开为：

其中，E₀为初始电场幅值，为待求天线1的入射场系数，J_n(k₀ρ)表示贝塞尔函数；

其次：根据步骤1产生的散射场为

其中，为待求天线1的散射场系数，表示第二类汉克尔函数；

最后：将波函数展开式变为矩阵形式，结合天线表面的边界条件，得到天线1的散射场系数与入射场系数之间的关系

或

所述的MIMO天线阵列的互耦特性快速分析方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方式为：

假设单元天线的个数为I，取I-1个天线的散射场作为第i个天线的入射场，即有以下关系式：

其中，为天线j的散射场系数，k₀为自由空间中的传播常数，m、m为柱面波函数展开项数；