CN102209330B - 移动终端天线信道的建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动终端天线信道的建模方法及装置。其中，该方法包括：将移动终端天线信道作为一个包括一个路端口和一个场端口的两端口网络，根据场端口到路端口的S参数、场端口的散射参数、场端口对应外部激励源以及外部激励源的反射系统参数，确定天线与信道的耦合系数；使用天线输入反射系数和路端口的有源负载反射系数，确定表示场端口与路端口的传输及耦合特性的β元素；根据场端口到路端口传输系数及β元素，确定表示单天线信道模型的矩阵。通过本发明，可以建立单天线行为级相关矩阵通用表征模型。

Description

移动终端天线信道的建模方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种移动终端天线信道的建模方法及装置。

背景技术

目前，3GPP以及Winner采用的信道模型(例如，SCM、SCME)，均是准物理模型，因为该模型中散射体的物理空间位置是不确定的，因此，信道建模方法主要基于空间信道收发两端所定义散射体的出/入射平面村量波的散射统计信息。其所得到的信道模型虽然理论上可支持任意拓扑结构的天线单元和阵列，但在，在实际应用中，该标准化信道模型所考虑的只是一种理想化的、脱离实际使用的均匀直线天线阵(ULA)模型。以该均匀直线天线阵模型来评价天线系统性能，则将导致较大偏差，无法满足LTE和超三代(B3G)无线链路性能准确仿真和评估的需要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种移动终端天线信道的建模方法，以至少解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种移动终端天线信道的建模方法，包括：将移动终端天线信道作为一个包括一个路端口和一个场端口的两端口网络，根据场端口到路端口的S参数、场端口的散射参数、场端口对应外部激励源以及外部激励源的反射系统参数，确定天线与信道的耦合系数；使用天线输入反射系数和路端口的有源负载反射系数，确定表示场端口与路端口的传输及耦合特性的β元素；根据场路端口传输系数及β元素，确定表示单天线信道模型的矩阵。

根据本发明的另一方面，提供了一种移动终端天线信道的建模装置，包括：场端口/散射特性表征模块，用于根据线场端口到路端口的S参数、场端口散射参数以及场端口对应外部激励源参量V_g、反射系数参数Γ_g参量，表征天线对入射源的互作用；路端口传输/反射特性表征模块，用于采用路端口有源负载反射系数和天线输入反射系数，表征天线与负载的相互作用；场/路端口传输/耦合特性表征模块，用于基于路端口的S参数和路端口的有源负载反射系数，表征场端口与路端口的传输及耦合特性；单天线信道交叉极化扩展特性表征模块，用于基于场路端口传输参数，得到天线场路端口转移矩阵以表征单天线信道。

通过本发明，可以根据移动终端单天线网路参数和天线三维增益参数以及负载、源匹配参数，建立起单天线行为级相关矩阵通用表征模型，为移动终端单天线的性能研究、测试和认证提供保证。同时，本发明方法还具有环境要求低、精度适中、简便易行的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例移动终端多天线物理参数的结构示意图；

图2为本发明实施例中单天线场端口网络示意图；

图3为本发明实施例中单天线路端口网络示意图；

图4为根据本发明实施例的移动终端天线信息的建模方法的流程图；

图5为移动终端天线坐标定义示意图；

图6为移动终端单天线测试结果图；

图7a为移动终端单天线极化扩展特性的一仿真结果图；

图7b为移动终端单天线极化扩展特性的另一仿真结果图；

图7c为移动终端单天线极化扩展特性的又一仿真结果图；以及

图8为根据本发明实施例的移动终端天线信道的建模装置的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明实施例中，将终端单天线信道考虑成为一个双端口微波网络，即1个路端口和1个场端口，采用双端口网络S参数表征方法和天线辐射电场的极化特性表征方法，建立场路转换矩阵模型，提取场路一体化极化扩展信息，得到天线信道交叉极化扩展特性的通用表示模型。

图1为根据本发明实施例的天线物理模型的结构示意图，如图1所示，该天线物理模型主要包括以下5个部分：

(1)圆柱导体0

圆柱导体0是一个Z轴方向总长度为X0，半径为R0金属圆柱体。

(2)主辐射元件1

主辐射元件1是一个外半径为Rpat、内半径为Rpin、Z向厚度为Hpat的圆环型金属贴片结构；以三维坐标系原点为参考点，所述主辐射元件1位于Z向高度Hrad处，与一个带有螺纹结构的金属圆柱体1.1连接在一起，进而可对主辐射元件1的Z向高度Hrad进行调节。所述带有螺纹结构的金属圆柱体1.1是一个Z向高度为Hpin、半径为Rpin、侧边上带有螺纹的圆柱体结构，下表平面位于坐标系XY平面上。

(3)副辐射元件2.1、2.2、2.3、2.4

副辐射元件2.1、2.2、2.3、2.4，是四个半径为R1、厚度为H1的小金属圆柱，下表平面与三维坐标系中XY平面平行，距离为H0+Hs；同时，四个小金属圆柱的中心点均匀分布在圆心位于Z坐标轴上、半径为D0的圆上，即各自位于正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。

(4)馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4

馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4，是由四根作为馈线的、半径为R0、Z向高度为H0的金属圆柱体，以及四个Z向高度为Hs的50Ω阻抗匹配馈电端口组成；所述金属圆柱体馈线的下表平面与三维坐标系的XY平面平行，距离为Hs；所述50Ω阻抗匹配馈电端口一侧位于XY平面上，另一侧位于馈线下表平面；所述馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4同样是均匀分布在圆心位于Z坐标轴上、半径为D0的圆上，即各自位于正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，相互对称。

(5)天线支架4

天线支架4，原型是一个Z向高度为Hw、外半径为Rw、内半径为Rn、材料为聚四氟乙烯(介电常数2.55，电介质损耗角为0.0019)的圆柱环型结构，下表平面位于三维坐标系的XY平面上；同时，在天线支架4内部，在XY平面上，距离原点D0的位置处，挖出了四个半径为R0、Z向高度为Hw的圆柱孔径，同时，四个圆柱孔径各自均匀分布在正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，相互对称。

下面介绍上述各主要组成部分的连接关系：

(1)圆柱导体实体的连接

如图1所示，圆柱导体0是半径为RA、高度为XA铝材圆柱。

(2)辐射单元与馈电单元实体的连接

如图1所示，主辐射单元1实体与带有螺纹结构的金属圆柱体1.1连接在一起，进而可对主辐射元件1的Z向高度Hrad进行调节；也因此需要在主辐射单元贴片上挖出半径为Rpin的圆，并最终形成圆环结构。带有螺纹结构的金属圆柱体1.1的下表平面位于三维坐标系的XY平面上，与圆柱导体0的A部分连接在一起，位于环形的天线支架4中心处；同时，由于其半径小于天线支架4的内环半径，因而在金属圆柱体1.1与天线支架4之间仍留有一个环空间。

如图1所示，副辐射元件2.1、2.2、2.3、2.4的下表平面正好位于天线支架4的上表平面处，同时与馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4中的圆柱馈线上表面相连接。

如图1所示，馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4位于天线支架4内部挖出的四个圆柱孔径中，其中的圆柱型馈线的上表平面与副辐射元件2.1、2.2、2.3、2.4连接在一起，下表平面与50Ω阻抗匹配馈电端口连接在一起，馈电端口另一端则与圆柱导体0的A部分相连接。

如图1所示，天线支架4的下表平面位于XY平面上，同样是与圆柱导体0的A部分相连接。

下面介绍上述各主要组成部分的结构尺寸：

(1)圆柱导体0

XA＝10mm，RA1＝53.85mm，

(2)主辐射元件1

Rpat＝46.08mm，Rpin＝18mm，Hpat＝2.25mm，Hrad＝34.85mm，Hpin＝34.85mm

(3)副辐射元件2.1、2.2、2.3、2.4

R1＝7.2mm，H1＝0.3mm，H0＝29.2mm，Hs＝0.8mm，D0＝50mm

(4)馈电单元3.1、3.2、3.3、3.4

R0＝2.7mm，H0＝29.2mm，Hs＝0.8mm

(5)天线支架4

Hw＝30mm，Rw＝53085mm，Rn＝35mm

在本发明实施例中，将终端单天线信道考虑成为一个双端口微波网络，在图2中示出了该双端口微波网络的天线场端口(p2端口)以及场端口对应外部激励源V_g(入射电场)和反射系数参数(Γ_g)参量，图3中示出了该双端口微波网络的天线路端口(p1端口)以及天线路端口的有源负载反射系数(Γ_l1)和天线输入反射系数(Γ_a1)。

基于图2和图3所示的双端口微波网络，本发明实施例提供了一种UE天线信道的建模方法，图4为根据本发明实施例UE天线信道的建模方法的流程图，包括以下步骤：

步骤402，根据场端口到路端口的S参数、场端口的散射参数、场端口对应外部激励源以及外部激励源的反射系统参数，确定天线与信道的耦合系数，以表征天线对入射源的互作用特征；

步骤S404，采用路端口有源负载反射系数(Γ_l1)和天线输入反射系数(Γ_a1)，表征天线与负载的相互作用，即

$\mathrm{\β}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}},$ Γ_a1＝s₁₁，Δ＝[1-s₁₁Γ_l1]。

步骤S406，根据天线路端口(p1端口)S参数(S₁₁)和天线路端口有源负载反射系数(Γ_l1)，得到场/路端口传输/耦合特性表示，即β元素；

根据微波网络理论，表示场/路端口传输/耦合特性的β元素可通过以下公式确定：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}},$ Γ_a1＝s₁₁                      (1)

其中，Δ＝[1-s₁₁Γ_l1]                       (2)

步骤S408，根据场路端口传输系数S₁₂及β元素，确定表示单天线信道模型的矩阵。

基于场路端口S参数物理特征，得到天线场/路端口转移矩阵，即单天线信道h_a模型为：

h_a＝β·s₁₂                                 (3)

通过本发明实施例的上述建模方法，可以建立场路转换矩阵模型，得到天线信道交叉极化扩展特性的通用表示模型。

在具体实施过程中，在上述步骤S402中，基于天线场端口(p2端口)到路端口(p1端口)的S参数(S₁₂)、场端口散射参数(S₂₂)以及场端口对应外部激励源V_g(入射电场)、反射系数参数(Γ_g)参量，可通过以下公式得到由天线路端口看到的天线与信道的耦合系数(A₀、A₁)：

A₀＝(1-s₂₂Γ_g)^-1v_g，                       (4)

A₁＝(1-s₂₂Γ_g)^-1Γ_gs₁₂                     (5)

在具体应用中，实际测试时，天线散射阻抗与入射波空间阻抗不匹配已考虑在测试参量中(即源阻抗匹配)，因此有Γ_g＝0，

则A₀＝v_g，A₁＝0                            (6)

并且，基于电波传播理论，采用如图5定义的坐标，将天线参考点作为球坐标的原点，天线支路的矢径与Z轴的夹角为θ，天线支路的矢径投影到XY平面内的矢量与X轴的夹角为φ。在上述步骤S308中，场/路端口传输参数(S₁₂)(即场端口到路端口的S参数)可以表示为：

$s_{12}({\mathrm{\Ω}}_R,{\stackrel{\→}{r}}_1)=\stackrel{\→}{G}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)e^{\mathrm{jk}{r}_1+\mathrm{j\Φ}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)}\·\stackrel{\→}{H}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)$

上式中，为天线的空间坐标矢量，Φ(Ω_R)为天线的相位方向图。Ω_R为来波入射角，为天线的电压增益方向图，为空间电磁信道单径电压传输系数。

进一步地，单天线信道的交叉极化扩展特性可表示为：

从而可以得到单天线信道的交叉极化扩展特性信道模型为：

$h_a(\mathrm{\β},{\mathrm{\Ω}}_R,r_1)=\mathrm{\β}\stackrel{\→}{G}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)e^{-\mathrm{jk}{r}_1+\mathrm{j\Φ}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)}\·\stackrel{\→}{H}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)$

$=\mathrm{\β}{G}_{\mathrm{\φ}}(\mathrm{XPR}\×H_{\mathrm{\θ}}+H_{\mathrm{\φ}})e^{-\mathrm{jk}{r}_1+\mathrm{j\Φ}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)}---\left(10\right)$

通过上述步骤，可以采用双端口网络S参数表征方法和天线辐射电场的极化特征表征方法，建立场路转换矩阵模型，提取场路一体化极化扩展信息，为移动终端单天线的性能研究、测试和认证提供了保证。

在具体实施过程中，可以通过电磁仿真或者实测，得到终端单天线有源天线单元三维增益方向图天线路端口(p1端口)S参数(S₁₁)，图6为本发明实施例中对移动终端单天线进行S参数测试的结果示意图，图7a-图7c为对移动终端单天线极化扩展特性进行仿真得到的结果示意图。进而可得到场/路端口传输/耦合特性表示，即β矩阵：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}},$ Γ_a1＝s₁₁                      (11)

其中，Δ＝[1-s₁₁Γ_l1]                 (12)

为了描述简单，在本发明实施例中，可以假设无线信道为自由空间信道，即其中为θ方向、φ方向的单位极化矢量，T为矩阵转置算符，则(10)可简化表示为：

$h_a(\mathrm{\β},{\mathrm{\Ω}}_R,r_1)=\mathrm{\β}\stackrel{\→}{G}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)e^{-\mathrm{jk}{r}_1+\mathrm{j\Φ}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)}\·\stackrel{\→}{H}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)$

$=\mathrm{\β}{G}_{\mathrm{\φ}}(\mathrm{XPR}+1)e^{-\mathrm{jk}{r}_1+\mathrm{j\Φ}\left({\mathrm{\Ω}}_R\right)}---\left(13\right)$

需要说明的是，优选实施例假设源阻抗匹配。虽然这里是以仿真参数为例，但是本发明的方法还可以广泛地应用于仿真或者测试等任何需要模拟移动终端的双天线效应的场合。

根据电磁仿真得到的参数，可得到式(10)表示的移动终端天线信道极化扩展特性模型。上述内容为实物验证，旨在说明本发明实施例提供的方法所需参数可仿真或者实测得到。

以上步骤确定的均是计算双天线信道模型需要的参数，本发明实施例对各步执行的顺序不加以限定。

使用本发明实施例推导出的结果与测试结果相比，一致性较好，且公式(10)是一个简单的解析表示式，还具有易于编程实现的优点。

图8为根据本发明实施例的移动终端天线信道的建模装置的示意图，如图8所示，主要包括：场端口/散射特性表征模块80、路端口传输/反射特性表征模块82、场/路端口传输/耦合特性表征模块84和单天线信道交叉极化扩展特性表征模块86。其中，场端口/散射特性表征模块80，用于根据线场端口到路端口的S参数、场端口散射参数以及场端口对应外部激励源参量V_g、反射系数参数(Γ_g)参量，表征天线对入射源的互作用；路端口传输/反射特性表征模块82，用于采用路端口有源负载反射系数和天线输入反射系数，表征天线与负载的相互作用；场/路端口传输/耦合特性表征模块84，用于基于路端口的S参数和路端口的有源负载反射系数，表征场端口与路端口的传输及耦合特性；单天线信道交叉极化扩展特性表征模块86，用于基于场路端口传输参数，得到天线场路端口转移矩阵以表征单天线信道。

采用本发明方法，可以根据移动终端单天线网路参数和天线三维增益参数以及负载、源匹配参数，建立起单天线行为级相关矩阵通用表征模型，为移动终端单天线的性能研究、测试和认证提供保证。同时，本发明方法还具有环境要求低、精度适中、简便易行的优点。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种移动终端天线信道的建模方法，其特征在于，将移动终端天线信道作为一个包括一个路端口和一个场端口的两端口网络，所述方法包括：

根据所述场端口到所述路端口的S参数、所述场端口的散射参数、所述场端口对应外部激励源以及所述外部激励源的反射系数参数，确定天线与信道的耦合系数；其中，根据以下公式确定天线与信道的耦合系数A0、A1：A₀＝(1-s₂₂Γ_g)^-1v_g，A₁＝(1-s₂₂Γ_g)^-1Γ_gs₁₂，其中，S12表示所述场端口到所述路端口的S参数，S₂₂表示所述场端口的散射参数，V_g表示所述场端口对应外部激励源参量，Γ_g表示所述外部激励源的反射系统参数；

使用天线输入反射系数和所述路端口的有源负载反射系数，确定表示所述场端口与所述路端口的传输及耦合特性的β元素；其中，按照以下公式确定所述β元素：Γ_a1＝s₁₁其中，△＝[1-s₁₁Γ_l1]，其中，Γ_a1表示所述天线输入反射系数，S₁₁表示所述路端口的S参数，Γ_l1表示所述路端口的有源负载反射系数；

根据所述场端口到所述路端口的S参数及所述β元素，确定表示单天线信道模型的矩阵；其中，按照以下公式确定单天线信道模型的矩阵h_a：h_a＝β·s₁₂，其中，S₁₂表示所述场端口到所述路端口的S参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述天线与信道的耦合系数包括：

获取所述场端口到所述路端口的S参数S₁₂；

获取所述场端口的散射参数S₂₂；

获取所述场端口对应外部激励源参量V_g及所述反射系数参数Γ_g。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Γ_g＝0。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述场端口到所述路端口的S参数S₁₂包括：采用电磁仿真或实际测量的方式获取所述场端口到所述路端口的S参数S₁₂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述有源负载反射系数和所述天线输入反射系数，获得表示场/路端口的传输/耦合特性的β元素包括：

获取天线输入反射系数Γ_a1和所述路端口的S参数S₁₁，通过所述有源负载反射系数Γ_l1和所述天线输入反射系数Γ_a1指示天线与负载的相互作用。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据场端口到路端口的S参数及所述β元素，确定单天线信道模型包括：

获取所述场端口到所述路端口的S参数S₁₂。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式获取所述场路端口传输系数S₁₂：

其中，为天线的空间坐标矢量，Φ(Ω_R)为天线的相位方向图，Ω_R为来波入射角，为天线的电压增益方向图，为空间电磁信道单径电压传输系数，θ为天线支路的矢径与Z轴的夹角，φ为天线支路的矢径投影到XY平面内的矢量与X轴的夹角，为θ方向的单位极化矢量，为方向的单位极化矢量，G_θ为天线在θ方向的电压增益值，为天线在方向的电压增益值，H_θ为天线在θ方向的空间电磁信道单径电压传输系数，为天线在方向的空间电磁信道单径电压传输系数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定矩阵h_a：

其中，当时，

当时，

其中，XPR为单天线信道的交叉极化扩展特性。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括采用电磁仿真或测量的方式获取所述单天线的电压增益方向图。

10.一种移动终端天线信道的建模装置，其特征在于，包括：

场端口/散射特性表征模块，用于根据场端口到路端口的S参数、场端口散射参数以及场端口对应外部激励源参量V_g、反射系数参数Γ_g参量，表征天线对入射源的互作用，即确定天线与信道的耦合系数A0、A1：A₀＝(1-s₂₂Γ_g)^-1v_g，A₁＝(1-s₂₂Γ_g)^-1Γ_gs₁₂，其中，S12表示所述场端口到所述路端口的S参数，S₂₂表示所述场端口的散射参数；

路端口传输/反射特性表征模块，用于采用路端口有源负载反射系数和天线输入反射系数，表征天线与负载的相互作用；即：Γ_a1＝s₁₁其中，△＝[1-s₁₁Γ_l1]，其中，Γ_a1表示所述天线输入反射系数，S₁₁表示所述路端口的S参数，Γ_l1表示所述路端口的有源负载反射系数；

场/路端口传输/耦合特性表征模块，用于基于所述场端口到所述路端口的S参数和所述路端口的有源负载反射系数，表征所述场端口与所述路端口的传输及耦合特性；即β元素：Γ_a1＝s₁₁，其中，△＝[1-s₁₁Γ_l1]；其中，Γ_a1表示所述天线输入反射系数，S₁₁表示所述路端口的S参数，Γ_l1表示所述路端口的有源负载反射系数；

单天线信道交叉极化扩展特性表征模块，用于基于场路端口传输参数，得到天线的场路端口转移矩阵以表征单天线信道；即单天线信道h_a模型：h_a＝β·s₁₂，其中，S₁₂表示所述场端口到所述路端口的S参数。