共位多天线系统的多维极化分集性能分析 - 易迪拓培训.pdf

共位多天线系统的多维极化分集性能分析 卞苓洁1，薄亚明2 (1．南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003； 2．南京邮电大学无线通信重点实验室，江苏南京210003) 摘要：研究了六维正交极化天线模型的空域相关矩阵(其中六维正交极化天线是由三维正交极化的半波偶板子天线及与其构 成对偶关系的三维正交缝隙天线组成)，并分析了相关矩阵的特征值：引入平均入射角，反映周围散射体的分布情况；对三 发三收的实际情况，使用该模型的降维形式，应用蒙特卡罗方法将仿真得到的平均信道容量与已有测试结果作比较，说明模 型的有效性。 关键词：MIMO无线通信；天线的辐射方向图；正交极化；信道容量 中图分类号：TN91l文献标识码：A 文章编号： 0、引言 在无线通信系统中，MIMO技术因其能够显著的提高信道容量而得到了广泛的关注和研究f9】。MIMO 系统的信道容量是和相关矩阵的秩存在着密切的联系的，从香农公式可以看出，MIMO系统的信道容量取 决于信道矩阵的秩，而信道矩阵和相关矩阵之间存在相互转换的关系，因此信道容量最终也取决于相关矩 阵的秩。因为相关矩阵的有效特征值数反映了相关矩阵的秩的情况，所以分析相关矩阵特征值的规律对研 究信道容量是必要的。当天线端口处信号间的相关特性较低，接收功率平衡时，系统的信道容量可以得到 最大程度的提高f4】。 研究表明，采用极化分集技术的MIMO系统具有良好的非相关衰落特性，可以使信道容量得到显著的 提高[10】。使用正交极化的共位多天线，可以充分利用空间中的三维电场极化和三维磁场极化，同时也可 以使天线结构更紧凑，占用的空间极大的减小。在对空间体积要求比较高的情况下，使用共位多天线无疑 是比较佳的选择。共位多天线中的极化分集利用了空间中电磁波正交极化分量之间具有很低的相关性的特 点，且和空间分集和方向图分集结合较方便。文献f1】从理论上说明，完全使用六维极化的可能性，并对收 发端均采用三维正交极化套筒天线时的信道容量进行了测量，为研究和验证本文提出的正交天线模型的有 效性提供了比照的依据。文献[2】建立了六维元天线模型，详细地分析了相关矩阵的特征值，指出当相关矩 阵具有六个非零相等的特征值时，系统的性能达到最佳，但是要以较大方位面的扩展角和一定的仰角为代 价。模型中没有考虑平均入射角度的影响，而平均入射角对性能的影响是至关重要的【4】，因此讨论的结果 具有特殊性。 本文第二节将研究六维极化的实际天线模型。充分利用六维极化，在收发端分别建立由三维正交半波 偶极子天线及与其相对偶的三维正交缝隙天线系统，来分析相关矩阵的特征值特性。第三节根据实际的散 射环境确定平均入射角和角度扩展，并和已有的测量结果进行比较，说明模型的有效性。最后，在第4节 中，讨论了该模型的使用条件，只有在收发端使用的天线数目相等，配置相同且具有相同的摆放方式时， 该模型才适用。 1、六维正交天线模型的相关性分析 根据电磁场和电磁波的理论，空间中电场和磁场的关系可以由麦克斯韦方程来确定。在具有丰富散射 体的多径环境下，由于多径的随机叠加，使利用多维的电磁极化成为可能[1]。 在收发端分别摆放六维正交极化的天线，其中三维正交电极化天线使用半波偶极子天线，三维正交磁 极化天线使用与三维正交电极化天线相对偶的缝隙天线。电极化天线分别沿工、Y、z方向放置，磁极化天 线与其对偶放置，馈电点位于原点，构成所谓的共位多天线系统。由天线理论[5]，在远区辐射场，场强 的径向分量只存在距离的倒数的高次方项，因此可以忽略，即电场在远区只存在两个横向分量，为典型的 TEM波。 收稿日期：2008．06．11 基金项目：国家重点基础研究发展计划973资助项目(2007CB310600) 作者简介：卞苓洁(1982一)，女，江苏连云港人，硕士研究生，电磁场与微波技术。 125 表1六维正交极化天线系统各天线的场方向图 半波偶极子天线 缝隙天线 受 多 艺 x Y z l 1 2