基于对称特性快速计算大规模mimo阵列的远场辐射场方法
【专利摘要】本发明属于电磁数值计算领域，具体涉及一种利用阵列对称特性求解大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法：该方法包括以下步骤：步骤一、确定M×N元平面阵列天线的结构和参数；步骤二、确定大型阵列中的子阵大小和提取方式；步骤三、基于提取的子阵有源单元方向图，利用均匀面阵的对称特性，近似计算出大型阵列的各个阵元的有源单元方向图；步骤四、利用叠加计算的方式，计算大型阵列的辐射场特性。本发明的该方法基于小阵列扩展到大阵列的方法，计算速度快；采用场的叠加原理计算灵活、适用范围广，对于均匀的线阵和面阵都可采用本方法；采用叠加计算的方式，避免了大量的矩阵运算，减少计算量，提高计算速度。
【专利说明】
基于对称特性快速计算大规模MI MO阵列的远场辐射场方法
技术领域
[0001] 本发明属于电磁数值计算领域，具体涉及一种利用阵列对称特性求解大规模MM0 阵列天线远场福射场的精确快速计算方法。
【背景技术】
[0002] 规模天线阵列系统（即Massive MM0)被认为是未来5G最具潜力的传输技术，它是 现有4G网络中MM0技术的扩展和延伸。Massive MM0系统在增加系统容量、提高通信质量 和针对复杂环境下设备的通用性方面都有很好的作用。它顺应了当前射频部件更贴近天线 的发展趋势，降低维护成本和能源成本，同时进一步提高网络性能和部署灵活性，在第五代 移动通信系统中具有重要的作用。Massive MHTO有源阵列天线技术或分布式天线技术将成 为5G无线传输关键性技术之一。但是Massive MM0在实际应用中将面临着很多问题。一方 面由于无线通信环境非常复杂，存在很多不确定的干扰因素，从而对天线辐射场产生影响； 另一方面，Massive MM0天线阵列和智能控制部分本身对辐射场的影响也有待在实际使用 中进行验证。因此，为了对Massive MHTO天线的性能进行全面考核，需要研究该类型天线远 场福射场的精确快速计算方法。
[0003] 目前对阵列天线的分析多采用方向图乘积法，即为孤立单元方向图与阵因子的乘 积，该方法能够快速的计算出阵列的方向图，由于其不考虑阵元之间的耦合，计算结果与全 波仿真结果存在较大的差异。目前方向图乘积法大多用于线阵，大型平面阵列的方向图计 算还没有快速有效的手段。阵列天线通常造价昂贵，精确的估计辐射特性，更够降低设计风 险并减少成本浪费。因此，需要精确的分析和计算其辐射场。阵列天线辐射场的精确计算多 采用数值计算方法，目前主要的数值计算方法有:矩量法、有限元法、时域有限差分等数值 算法。随着计算机技术的发展，基于这些方法的软件IE3D、HFSS、CST MICROWAVE STUDIO也 可以用于辐射场的精确计算。但当阵列规模较大时，采用这些数值计算方法将会耗费很长 的时间，个人计算机甚至难以计算。因此，需要一种在一定精度下，快速计算阵列福射场的 方法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的矩量法、有限元法、时域有限差分等数值算法，随着计算机 技术的发展，基于这些方法的软件IE3D、HFSS、CST MICROWAVE STUDIO也可以用于辐射场的 精确计算;存在当阵列规模较大时，采用这些数值计算方法将会耗费很长的时间，个人计算 机甚至难以计算等问题，提出一种基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场方 法。
[0005] 本发明的技术方案是:一种基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场 方法，其特征在于:该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一、确定MXN元平面阵列天线的结构和参数；
[0007] 步骤二、确定大型阵列中的子阵大小和提取方式；
[0008] 步骤三、基于提取的子阵有源单元方向图，利用均匀面阵的对称特性，近似计算出 大型阵列的各个阵元的有源单元方向图；
[0009] 步骤四、利用叠加计算的方式，计算大型阵列的福射场特性。
[0010] 所述的基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场方法，所述步骤一具 体包括，确定单个天线单元的材料、结构、工作频率、平面阵列阵元之间的间距、行和列的个 数。
[0011]所述的基于对称特性快速计算大规模mmo阵列的远场辐射场方法，所述步骤二中 确定子阵大小为:对于MXN大型阵列，采用5X5阵列作为子阵，其中M大于5，N大于5。
[0012]所述的基于对称特性快速计算大规模mMO阵列的远场辐射场方法，所述步骤二中 提取方式为:对于子阵各个单元的有源单元方向图的计算，采用数值算法或采用基于有限 元法的HFSS软件计算;在HFSS软件上对在5 X 5的小型面阵进行全波仿真，分别只对（1，1)、 (1，2)、（1，3)、（2，1)、（2,2)、（2,3)、（3，1)、（3,2)、（3,3)接激励，提取出电场在巾和0方向的 实部和虚部。
[0013]所述的基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场方法，所述步骤三包 括小=90和巾=0两种情况，其中巾=90时的具体步骤为：
[0014] 步骤301、确定以Y轴为行，以X轴为列；
[0015]步骤302、设定巾=90时，对于第一行，由于阵列的对称特性我们可以利用（1，1)单 元计算出第（1，N)单元的有源单元方向图，二者在巾方向的电场仅有空间相位的差异，0方 向几乎没有影响，利用以下公式计算出：
[0019]求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数；
[0020] 步骤303、同理利用单元（1，2)计算出（1，N_1);
[0021 ]步骤304、把中间单元之间用（1，3)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差 别即可，利用方向图乘积定理，
[0022] E = E'S，-- (4) /I 二 1
[0023]计算中间单元部分的方向图，其中，Evo为（1，3)的电场，do为阵元之间的间距；
[0024] 步骤305、把上面计算的有源单元在phi和theta方向的场进行叠加，可得到第一行 的有源单元组成的线阵方向图，采用该方法，同理可得到第二行、第三行线阵的方向图；然 后，利用面阵的对称性得出，第M行用第一行等效，第M-1行用第二行等效，中间第三行到第 M-2行用第三行等效。
[0025]所述的基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场方法，所述步骤三中 小=0时的具体步骤是：
[0026] 步骤3001、确定以Y轴为行，以X轴为列；
[0027] 步骤3002、设定巾=0时，对于第一列，由于阵列的对称特性我们可以利用（1，1)单 元计算出第(M，l)单元的有源单元方向图，二者在0方向的电场仅有空间相位的差异，(i)方 向几乎没有影响，利用公式：
[0031]求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数；
[0032] 步骤3003、同理利用（2，1)计算出（M-l，1);
[0033] 步骤3004、把中间单元之间用（3，1)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差 别即可，利用方向图乘积定理，
[0034] E = (8)
[0035] 计算中间单元部分的方向图；
[0036]步骤3005、把上面计算的有源单元的场叠加计算可得到第一行线阵的方向图，采 用该方法，同理可得到第二行、第三行线阵的方向图；然后，利用面阵的对称性得出，第N列 用第一列等效，第N-1列用第二列等效，中间第三列到第M-2列用第三列等效。
[0037] 所述的基于对称特性快速计算大规模MM0阵列的远场辐射场方法，所述步骤四具 体为:Phi = 90时，把所求得的M行线阵的场进行叠加计算;Phi = 0时，把所求得的N列线阵的 场进行叠加计算。
[0038] 本发明的有益效果是:本发明的该方法基于小阵列扩展到大阵列的方法，计算速 度快;采用场的叠加原理计算灵活、适用范围广，对于均匀的线阵和面阵都可采用本方法； 采用叠加计算的方式，避免了大量的矩阵运算，减少计算量，提高计算速度。
【附图说明】
[0039] 图1为5X5阵列示意图；
[0040]图2为子阵等效大阵示意图；
[0041 ] 图3为5X5阵列在HFSS中的结构示意图；
[0042] 图4为10 X 10阵列在HFSS中的结构示意图。
【具体实施方式】
[0043]实施例1:结合图1-图3: -种基于对称特性快速计算大规模MMO阵列的远场辐射 场方法，该方法包括以下步骤：
[0044] 步骤一、确定MXN元平面阵列天线的结构和参数；
[0045] 确定单个天线单元的材料、结构、工作频率、平面阵列阵元之间的间距、行和列的 个数。
[0046] 步骤二、确定大型阵列中的子阵大小和提取方式；
[0047] 对于MXN大型阵列，采用5X5阵列作为子阵，其中M大于5，N大于5。对于子阵各个 单元的有源单元方向图的计算，采用数值算法或采用基于有限元法的HFSS软件计算；在 HFSS软件上对在5 X 5的小型面阵进行全波仿真，分别只对（1，1)、（ 1，2)、（ 1，3)、（2，1)、（2， 2)、（2,3)、（3，1)、（3,2)、（3,3)接激励，提取出电场在巾和0方向的实部和虚部。
[0048]步骤三、基于提取的子阵有源单元方向图，利用均匀面阵的对称特性，近似计算出 大型阵列的各个阵元的有源单元方向图；
[0049] 分为巾=90和巾=0两种情况，其中巾=90时的具体步骤为：
[0050] 步骤301、确定以Y轴为行，以X轴为列；
[0051]步骤302、设定巾=90时，对于第一行，由于阵列的对称特性我们可以利用（1，1)单 元计算出第（1，N)单元的有源单元方向图，二者在巾方向的电场仅有空间相位的差异，0方 向几乎没有影响，利用以下公式计算出：
[QQ52] Et 二 EtejkDsiTi0- (1)
[0053] El = El (1) _4] l：t =^(Et)2+(E：J G)
[0055]求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数；
[0056] 步骤303、同理利用单元（1，2)计算出（1，N_1);
[0057]步骤304、把中间单元之间用（1，3)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差 别即可，利用方向图乘积定理，
[0058] E = (4)： B-l
[0059]计算中间单元部分的方向图，其中，Evo为（1，3)的电场，do为阵元之间的间距；
[0060] 步骤305、把上面计算的有源单元在phi和theta方向的场进行叠加，可得到第一行 的有源单元组成的线阵方向图，采用该方法，同理可得到第二行、第三行线阵的方向图；然 后，利用面阵的对称性得出，第M行用第一行等效，第M-1行用第二行等效，中间第三行到第 M-2行用第三行等效。
[0061 ]巾=0时的具体步骤是：
[0062] 步骤3001、确定以Y轴为行，以X轴为列；
[0063] 步骤3002、设定巾=0时，对于第一列，由于阵列的对称特性我们可以利用（1，1)单 元计算出第(M，l)单元的有源单元方向图，二者在0方向的电场仅有空间相位的差异，小方 向几乎没有影响，利用公式：
[QQ64、Efj严si- (5 )
[0065] E9r = Ef (6) _6] is(7)
[0067]求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数；
[0068] 步骤3003、同理利用（2，1)计算出（M-1，1);
[0069] 步骤3004、把中间单元之间用（3，1)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差 别即可，利用方向图乘积定理，
[0070] E = (8)
[0071] 计算中间单元部分的方向图；
[0072]步骤3005、把上面计算的有源单元的场叠加计算可得到第一行线阵的方向图，采 用该方法，同理可得到第二行、第三行线阵的方向图；然后，利用面阵的对称性得出，第N列 用第一列等效，第N-1列用第二列等效，中间第三列到第M-2列用第三列等效。
[0073] 步骤四、利用叠加计算的方式，计算大型阵列的福射场特性。
[0074] Ph i = 90时，把所求得的M行线阵的场进行叠加计算;Ph i = 0时，把所求得的N列线 阵的场进行叠加计算。
[0075] 实施例2,结合图1-图4,步骤1、确定MXN元平面阵列天线的结构和参数。
[0076]采用同轴馈电贴片天线组阵来验证上述方法的正确性。介质基片厚度1.6mm，辐射 贴片长度和宽度分别为28mm和37.26mm，同轴馈电点离贴片中心距离7mm，1/4工作波长 30mm。矩形微带天线的HFSS设计模型如图3所示。模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长 度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y轴方向。介质基板的大小是辐射贴片的2倍，参考 地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理性导体边 界条件的方式来模拟理想薄导体。因为使用50欧姆同轴线馈电，所以这里使用半径为 0.6mm、材质为理想导体(pec)的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。圆柱体与z轴平行放 置，则其高度为1.6_。在于圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1.5_的圆孔，将 其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50 欧姆。求解频率为2.45GHz，扫频范围设置为1.5GHz~3.5GHz，使用快速扫频。
[0077] 步骤2、确定大型阵列中的子阵大小和提取方式。
[0078] 采用 5X5面阵作为子阵，5X5子阵的提取出（1，1)、（1，2)(1，3)、（2，1)、（2,2)、（2， 3)、（3，1)、（3,2)、（3,3)的0、巾方向有源单元方向图的实部和虚部。
[0079] 步骤3、基于提取的子阵有源单元方向图，利用均匀面阵的对称特性，近似计算出 大型阵列的各个阵元的有源单元方向图。
[0080]巾=90时，对于第一行，利用单元（1，1)计算出单元（1，10)、利用（1，2)计算出单元 (1，9 )，中间单元的计算利用方向图乘积法计算：
[0081 ] E =已兔，"'- 0) n -I
[0082]同理计算出第二行和第三行。第10行用第1行等效，第9行用第2行等效，中间部分 用第3行等效。
[0083]巾=0时，对于第一列，利用单元（1，1)计算出单元（10，1)、利用（2，1)计算出单元 (9，1 )，中间单元的计算利用方向图乘积法计算：
[0084]五=E\^yki"K、1 e," (10) n=i
[0085]同理计算出第二列和第三列。第10列用第1列等效，第9列用第2列等效，中间部分 用第3列等效。
[0086] 步骤4、利用叠加计算的方式，计算大型阵列的福射场特性。
[0087] 计算巾=90面的方向图时，对所得的10行有源单元组成的线阵的场进行叠加。
【主权项】
1. 一种基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法，其特征在于:该方 法包括W下步骤： 步骤一、确定M X N元平面阵列天线的结构和参数； 步骤二、确定大型阵列中的子阵大小和提取方式； 步骤=、基于提取的子阵有源单元方向图，利用均匀面阵的对称特性，近似计算出大型 阵列的各个阵元的有源单元方向图； 步骤四、利用叠加计算的方式，计算大型阵列的福射场特性。2. 根据权利要求1所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤一具体包括，确定单个天线单元的材料、结构、工作频率、平面阵列阵 元之间的间距、行和列的个数。3. 根据权利要求1所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤二中确定子阵大小为:对于MXN大型阵列，采用5X5阵列作为子阵， 其中M大于5，N大于5。4. 根据权利要求1所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤二中提取方式为:对于子阵各个单元的有源单元方向图的计算，采用 数值算法或采用基于有限元法的HFSS软件计算;在HFSS软件上对在5 X 5的小型面阵进行全 波仿真，分别只对(1，1)、（1，2)、（1，3)、（2，1)、（2,2)、（2,3)、（3，1)、（3,2)、（3,3)接激励，提 取出电场在4和0方向的实部和虚部。5. 根据权利要求1所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤立包括4 =90和4 =0两种情况，其中4 =90时的具体步骤为： 步骤301、确定WY轴为行，Wx轴为列；步骤302、设定(6=90时，对于第一行，由于阵列的对称特性我们可W利用（1，1)单元计 算出第（1，N)单元的有源单元方向图，二者在d)方向的电场仅有空间相位的差异，0方向几 乎没有影响，利用W下公击计當出， (1) (2) (3) 求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数； 步骤303、同理利用单元（1，2)计算出（1，N-1); 步骤304、把中间单元之间用（1，3)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差别即 可，利用方向图乘积定理，(4) 计算中间单元部分的方向图，其中，Evo为（1，3)的电场，do为阵元之间的间距； 步骤305、把上面计算的有源单元在地i和theta方向的场进行叠加，可得到第一行的有 源单元组成的线阵方向图，采用该方法，同理可得到第二行、第=行线阵的方向图；然后，利 用面阵的对称性得出，第M行用第一行等效，第M-I行用第二行等效，中间第=行到第M-2行 用第=行等效。6. 根据权利要求5所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤=中4 =0时的具体步骤是： 步骤3001、确定WY轴为行，Wx轴为列； 步骤3002、设定d) =0时，对于第一列，由于阵列的对称特性我们可W利用（1，1)单元计 算出第(M，l)单元的有源单元方向图，二者在0方向的电场仅有空间相位的差异，d)方向几 乎没有影响，利用公式：(5) (6) (7) 求出二者的距离，其中，D为两单元之间的距离，k为波数； 步骤3003、同理利用(2，1)计算出(M-1，1); 步骤3004、把中间单元之间用（3,1)来等效，各个单元之间只需考虑空间相位的差别即 可，利用方向图乘积定理，(8) 计算中间单元部分的方向图； 步骤3005、把上面计算的有源单元的场叠加计算可得到第一行线阵的方向图，采用该 方法，同理可得到第二行、第=行线阵的方向图；然后，利用面阵的对称性得出，第N列用第 一列等效，第N-I列用第二列等效，中间第S列到第M-2列用第S列等效。7. 根据权利要求1所述的基于对称特性快速计算大规模MIMO阵列的远场福射场方法， 其特征在于:所述步骤四具体为:Phi =90时，把所求得的M行线阵的场进行叠加计算;Phi = 0时，把所求得的N列线阵的场进行叠加计算。
【文档编号】G06F17/50GK105912742SQ201610125796
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】朱明林, 刘起坤, 钟州, 黄开枝, 陈国虎, 周游, 马克明, 韩乾, 靳彦青
【申请人】中国人民解放军信息工程大学