CN107850662B - 天线系统及信号传输方法 - Google Patents

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CN107850662B CN201580082266.8A CN201580082266A CN107850662B CN 107850662 B CN107850662 B CN 107850662B CN 201580082266 A CN201580082266 A CN 201580082266A CN 107850662 B CN107850662 B CN 107850662B
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Abstract

本申请提供了天线系统及信号传输方法。所述天线系统包括：包括发射端天线阵列及发射端匹配网络，其中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵与所述发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配，用于对待发射信号进行预畸变处理；所述发射端天线阵列用于发送经过所述发射端匹配网络预畸变处理后的所述待发射信号。本申请所提供的天线系统及信号传输方法，可以利用与匹配网络对需要由所述天线阵列发送的信号进行预畸变处理或对所述天线阵列接收到的信号进行解畸变处理，配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而降低天线阵元之间的耦合效应。

Description

天线系统及信号传输方法
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域，尤其涉及天线系统及信号传输方法。
背景技术
由于多输入多输出(multiple-input multiple-output，简称MIMO)天线系统相对于单天线传输方案能极大地提高无线通信链路的传输质量和传输效率，MIMO天线系统已成为国内外商用化无线移动通信的关键技术之一。为了满足更高传输速率、更可靠的无线移动通信业务需求，具备高容量、高可靠性、以及绿色低功耗等特性的大规模MIMO(massiveMIMO)天线系统应运而生，并迅速引起学术界及网络和通信设备制造商的高度关注。
考虑到重量、风阻等安装部署要求，通常天线在实际设计中存在一定的尺寸限制。由于大规模MIMO天线通常会包含数百个甚至更多的天线阵元，因此在存在尺寸限制的情况下，需要减小大规模MIMO天线阵元之间的间隔。
天线阵元间隔的减小，会增加天线阵元之间的阵元耦合效应。阵元耦合效应是指天线阵列中邻近的各阵元之间的电磁场相互作用会改变各阵元上的感应电流或感应电压，从而导致天线阵元上原来无耦合的接收或发射信号发生畸变。另外天线阵元之间耦合效应的增加亦会对各天线信号的空域相关性、天线增益甚至系统容量产生较大影响。
发明内容
本发明实施例提供了天线系统及信号传输方法，以降低天线阵元之间的耦合效应。
第一方面，本发明实施例提供了一种天线系统，该天线系统包括：发射端天线阵列及发射端匹配网络，其中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵与所述发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配，用于对待发射信号进行预畸变处理；所述发射端天线阵列用于发送经过所述发射端匹配网络预畸变处理后的所述待发射信号。由于匹配网络与天线阵列相匹配，因此采用本方面所提供的天线系统，可以利用与匹配网络对需要由所述天线阵列发送的信号进行预畸变处理或对所述天线阵列接收到的信号进行解畸变处理，配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而降低天线阵元之间的耦合效应。
结合第一方面，在第一方面种可能的实现方式中，所述发射端匹配网络为所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络。当所述发射端匹配网络为所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络时，发射端匹配网络可以大大降低天线阵元之间的耦合效应，从而可以大大降低天线阵元之间的间距要求，从而大大减小天线系统的尺寸。
结合第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵为
Figure GPA0000245600060000041
其中，
Figure GPA0000245600060000042
为所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000043
为所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000044
为所述发射端匹配网络由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure GPA0000245600060000045
为所述发射端匹配网络由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵。通过S参数矩阵确定发射端匹配网络，可以很容易确定发射端匹配网络的特征。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配结构时，所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000046
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000047
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000048
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000049
其中，
Figure GPA00002456000600000410
为发射端天线阵列S参数矩阵，
Figure GPA00002456000600000411
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600000412
为任意单位对角复矩阵。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的自阻抗匹配结构时，所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600000413
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600000414
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000051
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000052
其中，
Figure GPA0000245600060000053
为发射端天线阵列的S参数矩阵，diag(·)为取矩阵对角元构成对角矩阵操作，
Figure GPA0000245600060000054
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA0000245600060000055
Figure GPA0000245600060000056
为任意单位对角复矩阵。
结合第一方面或第一方面第一至四种可能的实现方式其中任意一种，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述发射端天线阵列的阵元间距小于第一波长的一半，其中，所述阵元间距是指组成所述发射端天线阵列的天线阵元之间的行间距或列间距，所述第一波长为所述天线系统所发送信号载波的波长。阵元间距小于第一波长，可以大大降低天线阵列的尺寸，从而降低天线系统的尺寸。
第二方面，本发明实施例还提供了另一种天线系统，包括：包括接收端天线阵列及接收端匹配网络，其中，所述接收端天线阵列，用于将空间物理信道所辐射的入射电磁信号转化成电压信号或者电流信号；所述接收端匹配网络的S参数矩阵与所述接收端天线阵列的S参数矩阵相匹配，用于对所述电压信号或电流信号进行解畸变处理。
结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述接收端匹配网络为所述接收端天线阵列的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络。
结合第二方面或第二方面第一种可能的实现方式，在第二方面第二种可能的实现方式中，所述接收端匹配网络的S参数矩阵为
Figure GPA0000245600060000057
其中，
Figure GPA0000245600060000058
为所述接收端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000059
为所述接收端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA00002456000600000510
为所述接收端匹配网络由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure GPA00002456000600000511
为所述接收端匹配网络由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵。
结合第二方面第二种可能的实现方式，在第二方面第三种可能的实现方式中，当所述接收端匹配网络具有所述接收端天线阵列的多端口共轭匹配结构时，所述接收端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600000512
所述接收端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000061
所述接收端匹配网络的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000062
所述接收端匹配网络的反向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000063
其中，
Figure GPA0000245600060000064
为所述接收端天线阵列的S参数矩阵，
Figure GPA0000245600060000065
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA0000245600060000066
为任意单位对角复矩阵。
结合第二方面第二种可能的实现方式，在第二方面第四种可能的实现方式中，当所述接收端匹配网络具有所述接收端天线阵列的自阻抗匹配结构时，所述接收端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000067
所述接收端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000068
所述接收端匹配网络的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000069
所述接收端匹配网络的反向传输矩阵
Figure GPA00002456000600000610
其中，
Figure GPA00002456000600000611
为接收端天线阵列的S参数矩阵，diag(·)为取矩阵对角元构成对角矩阵操作，
Figure GPA00002456000600000612
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600000613
为任意单位对角复矩阵。
结合第二方面或第二方面第一至四种可能的实现方式其中任意一种，在第二方面第五种可能的实现方式中，所述接收端天线阵列的阵元间距小于第二波长的一半，其中，所述阵元间距是指组成所述接收端天线阵列的天线阵元之间的行间距或列间距，所述第二波长为所述天线系统所发接收信号载波的波长。
第三方面，本发明实施例还提供了一种信号传输方法，该方法包括：生成待发射信号；根据发射端匹配网络的S参数矩阵对所述待发射信号进行预畸变处理，其中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵与所述发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配；通过所述发射端天线阵列发射经过预畸变处理的所述待发射信号。
第四方面，本发明实施例还提供了另一种信号传输方法，该方法包括：通过接收端天线阵列将空间物理信道所辐射的入射电磁信号转化成电压信号或者电流信号；根据接收端匹配网络的S参数矩阵对所述电压信号或者电流信号进行解畸变处理，其中，所述接收端匹配网络的S参数矩阵与所述接收端天线阵列的S参数矩阵相匹配；将经过解畸变处理后的所述电压信号或电流信号发送至负载。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明天线系统一个实施例的结构示意图；
图2为本发明发射端一个实施例的架构示意图；
图3为本发明接收端一个实施例的架构示意图；
图4为本发明信号传输方法一个实施例的流程示意图；
图5为本发明信号传输方法另一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
参见图1，为本发明天线系统的一个结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的天线系统可以由天线阵列101及与所述天线阵列101相匹配的匹配网络102等多个部分组成，所述天线阵列101包括基站及终端所用的发射天线及接收天线。其中，所述天线阵列101可以为massive MIMO天线阵列，所述匹配网络102可以为电路网络。
当所述天线系统为发射天线系统时，所述天线阵列101为发射端天线阵列，所述匹配网络102用于对需要由所述天线阵列101发射的信号进行预畸变处理；当所述天线系统为接收天线系统时，所述天线阵列为接收端天线阵列，所述匹配网络102用于对所述天线阵列101接收到的信号进行解畸变处理。
通过预/解畸变处理，匹配网络102可以配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，抑制天线阵列在发射信号时产生的信号畸变，或者，抑制天线阵列所接收到的信号所存在的信号畸变，从而降低天线阵元之间的耦合效应。其中，所述匹配网络102与所述天线阵列101相匹配是指所述匹配网络102的散射参数(scattering parameter，简称S参数)矩阵与所述天线阵列101的S参数矩阵相匹配。其中，所述匹配网络102的S参数矩阵与所述天线阵列101的S参数矩阵相匹配是指：所述匹配网络102的S参数矩阵基于所述天线阵列101的S参数矩阵设置，以使所述匹配网络102抵消或部分抵消所述天线阵列101在发射信号时产生的信号畸变，或者抵消或部分抵消所述天线阵列101所接收到的信号所存在的信号畸变。所述匹配网络102与所述天线阵列101相匹配方式包括多端口共轭匹配及自阻抗匹配等多种。
所述匹配网络102的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000081
其中，
Figure GPA0000245600060000082
为所述匹配网络102输入端口的自反射系数矩阵；
Figure GPA0000245600060000083
为所述匹配网络102输出端口的自反射系数矩阵；
Figure GPA0000245600060000084
为由所述匹配网络102的输出端口反向传输至所述匹配网络102输入端口的反向传输矩阵；
Figure GPA0000245600060000085
为由所述匹配网络102的输入端口正向传输至所述匹配网络102输出端口的正向传输矩阵。
当所述匹配网络位于发送天线系统且与发射端天线阵列相匹配时，所述输入端口是指所述匹配网络与发射端激励源相连接的端口，即图2中所示的“端口1”；所述输出端口是指所述匹配网络与所述天线阵列相连接的端口，即图2中所示的“端口2”。
当所述匹配网络位于接收天线系统且与接收端天线阵列相匹配时，所述输入端口是指所述匹配网络与接收端天线阵列相连接的端口，即图3中所示的“端口1”；所述输出端口是指所述匹配网络与负载相连接的端口，即图3中所示的“端口2”。
当所述匹配网络102为所述天线阵列101的多端口共轭匹配网络时，所述匹配网络102的输出端口自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000086
所述匹配网络102的输入端口自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000087
所述匹配网络102的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000088
所述匹配网络102的反向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000089
其中，
Figure GPA00002456000600000810
为发射端天线阵列或接收端天线阵列的S参数矩阵，
Figure GPA00002456000600000811
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600000812
为任意单位复矩阵。
当所述匹配网络102为所述天线阵列101的自阻抗匹配网络时，所述匹配网络102的输出端口自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600000813
所述匹配网络102的输入端口自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600000814
所述匹配网络102的正向传输矩阵
Figure GPA00002456000600000815
所述匹配网络102的反向传输矩阵
Figure GPA00002456000600000816
其中，
Figure GPA00002456000600000817
为发射端天线阵列或接收端天线阵列的S参数矩阵，
Figure GPA00002456000600000818
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600000819
为任意单位复矩阵。
下面结合其它附图对本发明做进一步说明。
参见图2，为本发明发射端的架构示意图。
如图2所示，所述发射端可以包括激励源201与发射天线系统202，所述发射天线系统202可以包括发射端天线阵列2021及发射端匹配网络2022。其中，所述发射端匹配网络2022与所述激励源201相连接的端口为发射端匹配网络2022的输入端口，即图2中所示的“端口1”；所述发射端匹配网络2022与发射端天线阵列2021相连接的端口为发射端匹配网络2022的输出端口，即图2中所示的“端口2”。
其中，所述激励源201用于提供待发射的信号，所述发射端匹配网络2022，用于根据发射端天线阵列2021的S参数矩阵对所述待发射信号进行预畸变处理，以配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而抵消或部分抵消所述天线阵列2021在发射信号时产生的信号畸变，抑制天线阵元之间的耦合效应；所述发射端天线阵列2021，用于发射经过发射端匹配网络2022预畸变处理的待发射信号。
所述发射端天线阵列2021可以为基站的大规模MIMO天线阵列或配置了多个发射天线的移动终端天线阵列。所述发射端天线阵列2021可以包含多个天线阵元，所述天线阵元可以采用交叉极化阵元部署，也可以采用同极化阵元部署。
可选的，所述发射端天线阵列的阵元间距小于第一波长的一半，其中，所述第一波长是指所述天线系统所发送信号载波的波长，所述阵元间距是指组成所述发送端天线阵列的天线阵元之间的行间距或列间距。
例如，在天线阵元之间的列间距表示为dH，天线阵元之间的行间距表示为dV，所述天线系统所发射信号载波的波长表示为λ1时，dH及dV中至少有一个可以小于λ1的一半。
在采用S参数矩阵描述发射端时，激励源201的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000091
发射端匹配网络2022的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000092
发射端天线阵列2021的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000093
其中，
Figure GPA0000245600060000094
可以与
Figure GPA0000245600060000095
相匹配，使得所述发射端匹配网络2022可以对所述激励源201生成的待发射信号进行预畸变处理，并将预畸变处理后生成的信号馈送到发射端天线阵列2021，从而可以配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，降低天线阵元之间的耦合效应。
由于发射端匹配网络2022能够控制信号的输入输出，因此发射端匹配网络2022可以用S参数矩阵
Figure GPA0000245600060000101
表示，其中，
Figure GPA0000245600060000102
为所述发射端匹配网络2022输入端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000103
为所述发射端匹配网络2022输出端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000104
为所述发射端匹配网络2022由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure GPA0000245600060000105
为所述发射端匹配网络2022由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵。
根据对信号传输的性能要求不同，以及对发射端匹配网络2022的复杂度要求不同，
Figure GPA0000245600060000106
相匹配的具体匹配方式也有多种。通常情况下，所述发射端匹配网络2022可以为所述发射端天线阵列2021的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络。
根据
Figure GPA0000245600060000107
与
Figure GPA0000245600060000108
的具体匹配方式不同，
Figure GPA0000245600060000109
等子矩阵也各不相同。
当所述发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的多端口共轭匹配网络时，可以通过测量或数值计算获得发射端天线阵列2021的S参数矩阵
Figure GPA00002456000600001010
由于发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的多端口共轭匹配网络，因此可以确定
Figure GPA00002456000600001011
进而可以根据无耗网络设计准则
Figure GPA00002456000600001012
分别确定
Figure GPA00002456000600001013
Figure GPA00002456000600001014
由此可以看出，当所述发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的多端口共轭匹配网络时，所述发射端匹配网络2022输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600001015
所述发射端匹配网络2022输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600001016
所述发射端匹配网络2022的正向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001017
所述发射端匹配网络2022的反向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001018
其中，
Figure GPA00002456000600001019
为发射端天线阵列2021的S参数矩阵，
Figure GPA0000245600060000111
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA0000245600060000112
为任意单位复矩阵。
当所述发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的自阻抗匹配网络时，同样可以通过测量或数值计算获得发射端天线阵列2021的S参数矩阵
Figure GPA0000245600060000113
由于所述发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的自阻抗匹配网络，因此可以确定
Figure GPA0000245600060000114
进而根据自阻抗匹配网络的对称性以及无耗网络设计准则
Figure GPA0000245600060000115
可以得到
Figure GPA0000245600060000116
Figure GPA0000245600060000117
由此可以看出，当所述发射端匹配网络2022为所述发射端天线阵列2021的自阻抗匹配网络时，所述发射端匹配网络2022输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000118
所述发射端匹配网络2022输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000119
所述发射端匹配网络2022的正向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001110
所述发射端匹配网络2022的反向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001111
其中，
Figure GPA00002456000600001112
为发射端天线阵列2021的S参数矩阵，
Figure GPA00002456000600001113
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600001114
为任意单位复矩阵。
在
Figure GPA00002456000600001115
及
Figure GPA00002456000600001116
确定之后，可以依据具体的电路设计准则设计符合各端口参数值的电路结构，从而得到作为发射端匹配网络2022的电路网络。发射端匹配网络2022的电路结构具体设计方法及发射端匹配网络2022的具体电路结构在此就不再赘述。
通过实验及仿真可以得出，当发射天线的天线阵元间隔很小时(例如，天线阵元间隔小于0.5λ，其中λ为发射端所发射信号载波的波长)，在激励源与发射端天线阵列之间接入发射端匹配网络，可以取得辐射功率性能改善。例如，多端口共轭匹配网络可以令实际辐射功率保持最大，也即实际辐射功率与原始输出功率一致；而自阻抗匹配亦能取得一定的辐射功率性能改善，例如，在天线阵元间隔在0.3～0.5λ时，仍可以使实际辐射功率达到原始输出功率的90％以上。与此同时，在激励源与发射端天线阵列之间接入发射端匹配网络，还可以降低发射信号相关性和改善系统容量。
参见图3，为本发明接收端的架构示意图。
如图3所示，所述接收端可以包括接收天线系统301和负载302，所述接收天线系统301可以包括接收端天线阵列3011及接收端匹配网络3012。其中，所述接收端匹配网络3012与所述接收端天线阵列3011相连接的端口为所述接收端匹配网络3012的输入端口，即图3中所示的“端口1”；所述接收端匹配网络3012与负载302相连接的端口为所述接收端匹配网络3012的输出端口，即图3中所示的“端口2”。
所述接收端天线阵列3011，用于将空间物理信道所辐射的入射电磁信号转化成电压信号或者电流信号；所述接收端匹配网络3012，用于根据接收端天线阵列3011的S参数矩阵对所述电压信号或者电流信号进行解畸变处理，以配置天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而抑制所述电压信号或电流信号中存在的畸变，降低天线阵元之间的耦合效应；所述负载302，用于接收经过所述接收端匹配网络3012解畸变处理后的电压信号或者电流信号。
与发射端天线阵列相类似，所述接收端天线阵列3011可以为基站的大规模MIMO天线阵列或配置了多个接收天线的移动终端天线阵列。所述接收端天线阵列3011可以包含多个天线阵元，所述天线阵元可以采用交叉极化阵元部署，也可以采用同极化阵元部署。
可选的，所述接收端天线阵列的阵元间距小于第二波长的一半，其中，所述第二波长是指所述天线系统所接收信号载波的波长，所述阵元间距是指组成所述接收端天线阵列的天线阵元之间的行间距或列间距。
例如，在天线阵元之间的列间距表示为dH，天线阵元之间的行间距表示为dV，所述天线系统所接收信号载波的波长表示为λ2时，dH及dV中至少有一个可以小于λ2的一半。
负载302用于获取接收和处理后的信号能量，可以为一个具体的通信设备，如射频单元，基带处理单元等。所述接收端匹配网络3012可以为一个电路网络。
所述接收端也可以用S参数矩阵描述。在采用S参数矩阵描述接收端时，接收端天线阵列3011的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000121
接收端匹配网络3012的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000122
负载302的S参数矩阵可以表示为
Figure GPA0000245600060000123
其中，
Figure GPA0000245600060000131
可以与
Figure GPA0000245600060000132
相匹配，从而可以使所述接收端匹配网络3012可以对所述接收端根据电磁信号转化成的电压信号或电流信号进行解畸变处理，从而配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，降低天线阵元之间的耦合效应，并将解畸变处理后的信号馈送到负载302。
由于接收端匹配网络3012也能够控制信号的输入输出，因此接收端匹配网络3012可以用S参数矩阵
Figure GPA0000245600060000133
表示，其中，
Figure GPA0000245600060000134
为所述接收端匹配网络3012输入端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000135
为所述接收端匹配网络3012输出端口的自反射系数矩阵，
Figure GPA0000245600060000136
为所述接收端匹配网络3012由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure GPA0000245600060000137
为所述接收端匹配网络3012由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵。
Figure GPA0000245600060000138
与
Figure GPA0000245600060000139
相匹配的具体匹配方式同样有多种。通常情况所下，所述接收端匹配网络3012可以为所述接收端天线阵列3011的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络。
当所述接收端匹配网络3012为所述接收端天线阵列3011的多端口共轭匹配网络时，所述接收端匹配网络3012输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600001310
所述接收端匹配网络3012输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA00002456000600001311
所述接收端匹配网络3012的正向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001312
所述接收端匹配网络3012的反向传输矩阵
Figure GPA00002456000600001313
其中，
Figure GPA00002456000600001314
为接收端天线阵列3011的S参数矩阵，
Figure GPA00002456000600001315
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA00002456000600001316
为任意单位复矩阵。
当所述接收端匹配网络3012为所述接收端天线阵列3011的自阻抗匹配网络时，所述接收端匹配网络3012输入端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000141
所述接收端匹配网络3012输出端口的自反射系数矩阵
Figure GPA0000245600060000142
所述接收端匹配网络3012的正向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000143
所述接收端匹配网络3012的反向传输矩阵
Figure GPA0000245600060000144
其中，
Figure GPA0000245600060000145
为接收端天线阵列3011的S参数矩阵，
Figure GPA0000245600060000146
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure GPA0000245600060000147
为任意单位复矩阵。
由于接收端匹配网络3012与发射端匹配网络的基本原理一致，因此
Figure GPA0000245600060000148
Figure GPA0000245600060000149
及
Figure GPA00002456000600001410
的确定方式可以参见
Figure GPA00002456000600001411
及
Figure GPA00002456000600001412
的确定方式，具体在此就不再赘述。在
Figure GPA00002456000600001413
及
Figure GPA00002456000600001414
确定之后，可以依据具体的电路设计准则设计符合各端口参数值的电路结构，从而得到作为接收端匹配网络3012的电路网络。接收端匹配网络3012的电路结构具体设计方法，及接收端匹配网络3012的具体电路结构在此就不再赘述。
通过实验及仿真可以看出，当接收天线的天线阵元间隔很小时(例如，阵元间隔小于0.5λ，其中λ为接收端所接收到信号载波的波长)，接收端匹配网络可以有效降低接收信号相关性、最大化接收功率并改善系统容量。例如当所述接收端匹配网络为自阻抗匹配网络时，天线阵元间距在0.3～0.5λ时，接收端匹配网络对接收端天线阵列生成的接收信号进行解畸变处理后，接收信号基本可以解相关。
与本发明的天线相对应，本发明还提供了信号传输的方法。
参见图4，为本发明信号传输方法一个实施例的流程示意图。
步骤401，生成待发射信号。
步骤402，根据发射端匹配网络的S参数矩阵对所述待发射信号进行预畸变处理，以配置天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而降低天线阵元之间的耦合效应。
根据发射端匹配网络的S参数矩阵对所述待发射信号进行预畸变处理可以通过发射端匹配网络电路完成，其中，发射端匹配网络电路的S参数矩阵与发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配。发射端匹配网络与发射端天线阵列之间的具体匹配方式可以参见前述实施例，在此就不再赘述。
步骤403，通过所述发射端天线阵列发射经过预畸变处理的所述待发射信号。
参见图5，为本发明信号传输方法另一个实施例的流程示意图。
步骤501，通过接收端天线阵列将空间物理信道所辐射的入射电磁信号转化成电压信号或者电流信号。
步骤502，根据所述接收端匹配网络的S参数矩阵对所述电压信号或者电流信号进行解畸变处理，以配置天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而降低天线阵元之间的耦合效应。
根据接收端匹配网络的S参数矩阵对所述电压信号或电流信号进行解畸变处理可以通过接收端匹配网络电路完成，其中，接收端匹配网络电路的S参数矩阵与接收端天线阵列的S参数矩阵相匹配。接收端匹配网络与接收端天线阵列之间的具体匹配方式可以参见前述实施例，在此就不再赘述。
步骤503，将经过解畸变处理后的所述电压信号或电流信号发送至负载。
具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的信号传输方法各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。
采用本发明所提供的天线及信号传输方法，对由所述天线阵列发送的信号进行预畸变处理或对所述天线阵列接收到的信号进行解畸变处理，可以配置各个天线阵元耦合到邻近天线阵元的能量，从而降低天线阵元之间的耦合效应。在天线系统中接入匹配网络，可以使天线架构设计从始终需要考虑天线阵元紧耦合时的性能指标限制中摆脱出来，通过引入匹配网络为缩小大规模MIMO天线尺寸带来可能，并使得在一定的天线尺寸要求下的天线阵元布设能够更加自由。
本领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、服务器、系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种天线系统，其特征在于，包括发射端天线阵列及发射端匹配网络，
其中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵与所述发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配，用于对待发射信号进行预畸变处理；
所述发射端天线阵列用于发送经过所述发射端匹配网络预畸变处理后的所述待发射信号；
所述发射端匹配网络为所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络；
所述发射端匹配网络的S参数矩阵为
Figure FDA0002430783610000011
其中，
Figure FDA0002430783610000012
为所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵，
Figure FDA0002430783610000013
为所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵，
Figure FDA0002430783610000014
为所述发射端匹配网络由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure FDA0002430783610000015
为所述发射端匹配网络由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵；
当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配结构时，
所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure FDA0002430783610000016
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure FDA0002430783610000017
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure FDA0002430783610000018
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure FDA0002430783610000019
其中，
Figure FDA00024307836100000110
为发射端天线阵列S参数矩阵，
Figure FDA00024307836100000111
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure FDA00024307836100000112
Figure FDA00024307836100000113
为任意单位对角复矩阵；
当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的自阻抗匹配结构时，
所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure FDA00024307836100000114
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure FDA00024307836100000115
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure FDA00024307836100000116
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure FDA00024307836100000117
其中，
Figure FDA00024307836100000118
为发射端天线阵列的S参数矩阵，diag(·)为取矩阵对角元构成对角矩阵操作，
Figure FDA00024307836100000119
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure FDA00024307836100000120
Figure FDA00024307836100000121
为任意单位对角复矩阵。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，
所述发射端天线阵列的阵元间距小于第一波长的一半，其中，所述阵元间距是指组成所述发射端天线阵列的天线阵元之间的行间距或列间距，所述第一波长为所述天线系统所发送信号载波的波长。
3.一种信号传输方法，其特征在于，包括：
生成待发射信号；
根据发射端匹配网络的S参数矩阵对所述待发射信号进行预畸变处理，其中，所述发射端匹配网络的S参数矩阵与所述发射端天线阵列的S参数矩阵相匹配；
通过所述发射端天线阵列发射经过预畸变处理的所述待发射信号；
所述发射端匹配网络为所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配网络或自阻抗匹配网络；
所述发射端匹配网络的S参数矩阵为
Figure FDA0002430783610000021
其中，
Figure FDA0002430783610000022
为所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵，
Figure FDA0002430783610000023
为所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵，
Figure FDA0002430783610000024
为所述发射端匹配网络由所述输出端口反向传输到所述输入端口的反向传输矩阵，
Figure FDA0002430783610000025
为所述发射端匹配网络由所述输入端口正向传输到所述输出端口的正向传输矩阵；
当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的多端口共轭匹配结构时，
所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure FDA0002430783610000026
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure FDA0002430783610000027
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure FDA0002430783610000028
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure FDA0002430783610000029
其中，
Figure FDA00024307836100000210
为发射端天线阵列S参数矩阵，
Figure FDA00024307836100000211
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure FDA00024307836100000212
Figure FDA00024307836100000213
为任意单位对角复矩阵；
当所述发射端匹配网络具有所述发射端天线阵列的自阻抗匹配结构时，
所述发射端匹配网络输出端口的自反射系数矩阵
Figure FDA00024307836100000214
所述发射端匹配网络输入端口的自反射系数矩阵
Figure FDA00024307836100000215
所述发射端匹配网络的正向传输矩阵
Figure FDA00024307836100000216
所述发射端匹配网络的反向传输矩阵
Figure FDA00024307836100000217
其中，
Figure FDA00024307836100000218
为发射端天线阵列的S参数矩阵，diag(·)为取矩阵对角元构成对角矩阵操作，
Figure FDA00024307836100000219
为其奇异值分解，任意酉矩阵
Figure FDA00024307836100000220
Figure FDA00024307836100000221
为任意单位对角复矩阵。
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