大规模mimo阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁数值计算领域，具体涉及一种采用迭代散射算法求解的大规模 MIM0阵列天线远场福射的精确快速分析方法。
【背景技术】
[0002] 大规模天线阵列系统（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 MM0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，从理论分析上，这种天线技术有着非常明显的优 势，但是，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，从而对天线性能产生影响；另一方面，Massive MIM0天线阵列和智能控 制部分本身的性能也有待在实际使用中进行验证。为了对Massive MIM0天线的性能进行 全面考核，需要研宄该类型天线性能的精确快速分析方法。
[0003] 当阵列规模较大时，可以根据经典的方向图乘积定理，忽略单元间耦合的影响，通 过阵因子和单元方向图的乘积快速地计算出阵列天线的方向图。然而，由于阵元间存在互 耦效应，结果往往与真实情况存在较大差异。
[0004] 对于阵列天线辐射方向图的精确计算，通常借助于矩量法、有限元法、时域有限差 分等电磁数值算法或者基于这些电磁数值算法的商业电磁仿真软件来实现。但是，由于受 单台计算机的计算能力限制，当阵列天线规模过大时，任何全波仿真方法，即使是目前高效 率的混合矩量法（Hybrid MoM Solution)，也因内存和计算时间的巨大消耗而无法快速精 确地实施天线福射场的计算。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术通常借助于矩量法、有限元法、时域有限差分等电磁数值算 法或者基于这些电磁数值算法的商业电磁仿真软件来实现。但是，由于受单台计算机的计 算能力限制，当阵列天线规模过大时，任何全波仿真方法，即使是目前高效率的混合矩量法 (Hybrid MoM Solution)，也因内存和计算时间的巨大消耗而无法快速精确地实施天线福 射场的计算等问题，提出一种大规模MM0阵列天线远场辐射的精确快速分析方法。
[0006] 本发明的技术方案是：大规模MM0阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，该 计算方法包括以下步骤： 步骤一：确定MXN元平面阵列天线的阵元间距参数dx，dy，其中4是平面阵列天线x方 向的阵元间距，dy是平面阵列天线y方向的阵元间距； 步骤二：求解单元天线入射场与散射场关系，得到关系式为：
步骤三：根据单元天线间的互耦特性，在阵列环境条件下选择提取单元的子阵形式和 规模，取子阵规模为pXq; 步骤四：对于pXq个单元的天线子阵，求解子阵中单元远场辐射方向图； 步骤五：计算MXN元平面阵列天线远场辐射方向图。
[0007] 所述的大规模MMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，所述步骤二的具 体方法为： 考虑平面波入射，将天线单元的入射场乓1和散射场按照球面矢量波形式展开，则 有 i Itrin inn irm rnn/
m.n.i 其中Mmn、Nmn表不球矢量波函数，
，散射场的 球面矢量波系数可以通过单元天线的边界条件确定； itmn表示球坐标中标量波函数，表达式如下：
(3) 其中，M2l(b)是球面第二类汉克尔函数，iT(c〇s0)是勒让德多项式； 空间总电场可以表示为￡/=尽，基于矩量法模型，将天线辐射贴片划分为若干 网格单元，在每个网格区域外表面应用理想导体边界条件，即可求得单元天线入射场与散 射场之间的系数关系，即有
其中，下标j表不天线福射贴片剖分后网格的编号。
[0008] 所述的大规模MMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，所述步骤四的具 体方法为： 假设单元天线的个数为pXq，取（除去第i个天线外的）PXq-l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： }=i.}竽I }=L.j羊I m.n.j 该入射场产生新的散射场，其表达式如下： (6) (5) 将新产生的散射场作为下一次迭代的入射场，则第V次迭代的入射场和散射场的表达 式如下：
(7) 假设天线i存在入射场￡广，其余天线没有激励场，根据迭代散射理论，天线i的阵中 单元总的辐射场是所有散射场之和：
(9) v 将总场归一化后可以得到阵中单元的远场辐射方向图 J
(1〇)
[0009] 所述的大规模MMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，所述步骤五的具 体方法为： 假设MXN阵列中每列中相邻两阵元之间的相位差为Sy;每行中相邻两阵元之间的相 位差为S x，由该单元组成的平面阵列天线远区辐射场可表示为
An，Bm是阵列天线馈电端口激励源的幅度比例系数。
[0010] 本发明的有益效果是：本发明利用互耦计算的精确性，很好地解决了借助于矩量 法、有限元法、时域有限差分等方法中存在的受单台计算机的计算能力限制，当阵列天线规 模过大时，全波仿真方法因内存和计算时间的巨大消耗而无法快速精确地实施天线辐射场 的计算等问题，具有可以分析大型、共形阵列天线的方向图，具有合成精度较高，分析速度 快等优点。
【附图说明】
[0011] 图1是MX N元平面阵列天线结构图； 图2是p X q个单元的子结构示意图。
【具体实施方式】
[0012] 实施例1 :结合图1-图2,大规模MMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法， 该计算方法包括以下步骤： 步骤一：确定MXN元平面阵列天线的阵元间距参数dx，dy，其中4是平面阵列天线x方 向的阵元间距，dy是平面阵列天线y方向的阵元间距，MXN元平面阵列天线参考图1所示。
[0013] 步骤二：求解单元天线入射场与散射场关系，该关系式为： 考虑平面波入射，将天线单元的入射场'和散射场乓'按照球面矢量波形式展开，则 有
其中Mmn、Ng表不球矢量波函数，
散射场的 球面矢量波系数可以通过