[发明专利]大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法

权利要求书

1.大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，其特征在于：该计算方法包括以下步骤：

步骤一：确定M×N元平面阵列天线的结构参数d_x,d_y，其中d_x是平面阵列天线x方向的阵元间距，d_y是平面阵列天线y方向的阵元间距，M、N表示平面阵列中横向和纵向单元天线的总数；

步骤二：求解单元天线入射场与散射场关系，关系式为：

其中，E_i^t表示单元天线总电场，表示球面坐标，表示单元天线剖分后第j个子网格所在的空间位置坐标，M_mn,N_mn表示球矢量波函数，a_mn,b_mn表示入射场展开后的球矢量波函数分量的幅度值，表示初次散射场展开后的球矢量波函数分量的幅度值，下标m,n表示矢量波函数编号，下标i,j表示单元天线辐射贴片剖分后网格的编号，θ、表示相应三角函数的角度值；

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p×q，其中p×q表示单元天线的个数；

步骤四：对于p×q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M×N元平面阵列天线远场辐射方向图：

所述步骤五的具体方法为：

假设M×N阵列中每列中相邻两阵元之间的相位差为δ_y；每行中相邻两阵元之间的相位差为δ_x，由该单元组成的平面阵列天线远区辐射场可表示为

其中，A_n、B_m是阵列天线馈电端口激励源的幅度比例系数，m、n表示阵列中天线单元的标号，表示第m·M+n个单元的归一化方向图，λ表示波长。

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，其特征在于：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E_i^inc和散射场E_i^s按照球面矢量波形式展开，则有

其中M_mn、N_mn表示球矢量波函数，M_mn＝▽×(rψ_mn)，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；

上式中，▽表示散度算子符号，k表示自由空间传播常数，r表示球面坐标系中的单位距离矢量，ψ_mn表示球坐标中标量波函数，

ψ_mn的表达式如下：

其中，是球面第二类汉克尔函数，是勒让德多项式，cosθ,为汉克尔函数按照三角函数展开后的三角函数形式，

空间总电场可以表示为E_i^t＝E_i^inc+E_i^s(0)， 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表示天线辐射贴片剖分后网格的编号。

3.根据权利要求1所述的大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法，其特征在于：所述步骤四的具体方法为：

假设单元天线的个数为p×q，取除去第i个天线外的p×q-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：

该入射场产生新的散射场，其表达式如下：

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：

假设天线i存在入射场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：

将总场归一化后可以得到阵中单元的远场辐射方向图