CN110414164B - 一种基于机电耦合的6g通信天线信道容量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，包括：确定天线的结构设计方案，给定初始基站天线热工作环境参数；对天线进行结构有限元建模并进行结构热载荷变形分析；计算并提取阵面热变形前后的各阵元位置信息；对天线阵面进行曲面拟合并计算各阵元位置的指向偏转角；计算热变形条件下天线的电性能设计指标和信道容量等通信性能指标；综合判断该热变形条件下的6G基站相控阵天线性能指标是否满足要求。本发明有效地研究了6G基站相控阵天线的结构位移场、温度场与电磁场之间的场耦合关系，并延伸至对通信系统信道质量影响机理的剖析，为6G及未来高性能通信系统研制奠定理论基础。

Description

一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法

技术领域

本发明属于通信天线技术领域，具体涉及一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，基站相控阵天线有效地研究了6G基站相控阵天线的结构位移场、温度场与电磁场之间的场耦合关系，并延伸至对通信系统信道质量影响机理的剖析，为6G及未来高性能通信系统研制奠定理论基础。

背景技术

为适应不同的应用场景，6G无线通信系统在设计时需要考虑如何支持最大覆盖范围下的高数据速率与高数据可靠性，故而为6G基站相控阵天线系统带来了诸多挑战。首先由于毫米波频段传播衰减较为严重，基于Massive MIMO的相控阵天线技术可以通过产生高增益可控波束来保持链路甚至进一步提高接收信号的质量，但也意味着未来6G基站系统将需要承载更大规模的阵元数目及射频器件。再者，由于实现6G网络商用化过程中所涉及到的基站部署与天线安装等实际问题意味着基站相控阵天线需要具备体积小型化、重量轻量化和器件集成化等特点。另外，毫米波段天线阵元本身尺寸较小，这要求基站天线系统需实现天线阵元与其他毫米波单片射频电路及无源器件等混合集成，且不损害阵元的辐射效率、带宽和可实现的增益等。民用移动通信还需要考虑规模化量产和低成本等一系列问题。

微带贴片天线因其轮廓低、体积小、重量轻且易于制造与整合等优势而具有良好的前景，可实现适合6G应用的高性能和制造复杂性的适当平衡，是6G基站天线阵元的良好选择。对于微带阵列天线而言，其电性能是阵列中所有微带贴片天线阵元方向图在远场叠加的结果。高频工作下的微带阵列天线整体平面尺寸较小，且微带贴片天线本身体积小、质量轻，因而其易受到振动、冲击、热耗等基站工作环境载荷的影响，造成天线阵面结构受力变形，出现阵元位置偏移、姿态偏转，从而导致微带阵列天线的机电热耦合问题。

目前，国内外分别对6G通信与雷达领域中微带阵列天线的机电热耦合问题都做出了很多的研究，但对于6G基站相控阵天线的机电热耦合问题至今为止还没有相关方向的研究成果公开发表。因此，必须从机电耦合、学科交叉的角度出发有效地协调各学科设计之间的耦合关系，在基站典型复杂工作环境下深入研究了6G基站相控阵天线的结构位移场、温度场与电磁场之间的场耦合关系，并延伸至对通信系统信道质量影响机理的剖析，为6G及未来高性能通信系统研制奠定理论基础。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，有效研究了6G基站相控阵天线的结构位移场、温度场与电磁场之间的场耦合关系，并延伸至对通信系统信道质量影响机理的剖析，为6G及未来高性能通信系统研制奠定理论基础。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据6G基站相控阵天线的结构设计方案，确定其结构参数和工作频率；

(2)给定初始基站天线热工作环境参数；

(3)根据阵列天线热载荷环境与约束条件，利用ANSYS软件对6G基站相控阵天线建模并进行结构热载荷变形分析；

(4)基于热变形分析结果，计算并提取阵面热变形前后的各阵元位置信息；

(5)根据热变形前后阵元位置，利用Matlab软件进行曲面拟合并计算各阵元位置的指向偏转角；

(6)利用6G基站相控阵天线机电耦合模型，计算热变形条件下6G基站相控阵天线的方向图，并分析天线电性能设计指标的恶化程度；

(7)利用6G基站相控阵天线结构-信道容量耦合模型，计算相应的通信性能指标并分析其的恶化程度；

(8)根据6G基站相控阵天线设计指标要求，判断该热变形条件下的6G基站相控阵天线通信性能是否满足要求，如果满足要求，则输出当前条件下的6G基站天线各性能指标；否则，修改基站天线工作参数，重复步(3)至步骤(7)，直至性能满足要求。

进一步，所述步骤(1)中确定6G基站相控阵天线的结构参数，包括行数M、列数N与x、y方向的阵元间距d_x、d_y，以及长L_d、宽W_d和馈电位置。

进一步，所述步骤(2)中，天线热工作环境参数包括射频器件热功耗、工作环境温度以及基站天线对周围环境的对流换热系数。

进一步，所述步骤(5)中按如下述步骤：

(5a)假设阵面热变形后由Matlab软件进行拟合的曲面方程是z-f(x,y)＝0，且该曲面上某阵元几何中心点处的切平面的法向量

其中当

与z轴正向所成的夹角是锐角时取正号，反之取负；

(5b)求得第(m,n)号阵元(0≤m≤M-1,0≤n≤N-1)的指向偏转角(Δθ_mn,Δφ_mn)。

进一步，所述步骤(6)包括下述步骤：

(6a)根据接收端目标所在方向(θ,φ)相对于坐标轴夹角的方向余弦(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，则相应的基站发射波束最大指向的方向余为

(6b)考虑整个阵面温度场分布T，根据工程中T/R组件研制经验和实际性能测试数据，则获得6G基站相控阵天线系统中温度变化对激励电流幅度误差ΔI(T)、相位误差

(6c)假设第(m,n)阵元的位置偏移量为(Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn)，考虑阵面结构受力变形、阵面加工装配误差引起的阵元位置偏移、指向偏转以及温度影响引起的馈电误差，则得到6G基站相控阵天线的机电热耦合模型。

进一步，所述步骤(7)，在通信下行链路中6G基站相控阵天线作为发射端天线，用相控阵天线结构-信道容量耦合模型来描述射频器件热功耗对通信系统信道质量的影响机理。

进一步，所述6G基站相控阵天线设计指标要求为增益损失小于0.5dB，信道容量损失小于10Mbps。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.利用ANSYS软件提取热载荷环境下各阵元位置信息，再利用Matlab软件求解各阵元位置的指向偏转角，利用6G基站相控阵天线机电耦合模型计算相应的通信性能恶化程度，可快速分析6G基站相控阵天线性能恶化程度，并针对天线设计给出指导意见，为6G相控阵天线设计提供理论保障。

2.构建了基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，可以快速提取存在热载荷情况下各个阵元的指向偏转角，并给出对应的天线恶化程度作为参考，而不是通过盲目调整来优化性能，为工程设计人员在安装设计天线过程中提供指导，从而提升工作效率，降低产品研制成本，保障产品服役性能。

附图说明

图1是本发明一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法的流程图；

图2是目标空间几何关系示意图；

图3是矩形微带贴片阵元HFSS示意图；

图4(a)、(b)分别是6G基站阵列天线阵元分布和射频器件分布温度云图；

图5是6G基站阵列天线热变形位移云图；

图6是6G基站阵列天线结构热变形阵面拟合曲面；

图7(a)、(b)分别是热变形前后6G基站子阵列天线增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，具体步骤如下：

步骤1，根据6G基站相控阵天线的结构设计方案，确定其结构参数。

1.1确定6G基站相控阵天线的行数M、列数N与x、y方向的阵元间距d_x、d_y，以及工作频率f；

1.2确定6G基站相控阵天线阵元结构参数，如长L_d、宽W_d及馈电位置等。

步骤2，给定初始基站天线热工作环境参数。

确定6G基站相控阵天线系统中射频器件热功耗、工作环境温度以及基站天线对周围环境的对流换热系数等。

步骤3，根据阵列天线热载荷环境与约束条件，利用ANSYS软件对6G基站相控阵天线建模并进行结构热载荷变形分析。

根据6G基站相控阵天线所受到的载荷，利用力学分析软件对其进行结构载荷变形分析。

步骤4，基于热变形分析结果，计算并提取阵面热变形前后的各阵元位置信息。

根据力学分析软件分析结果，计算并提取阵面热变形前后的各阵元位置坐标与变化情况。

步骤5，根据热变形前后阵元位置，利用Matlab软件进行曲面拟合并计算各阵元位置的指向偏转角。

5.1.假设阵面热变形后由Matlab软件进行拟合的曲面方程是z-f(x,y)＝0，且该曲面上某阵元几何中心点处的切平面的法向量

其中当

与z轴正向所成的夹角是锐角时取正号，反之取负；

5.2.第(m,n)号阵元(0≤m≤M-1,0≤n≤N-1)的指向偏转角(Δθ_mn,Δφ_mn)可由下式计算：

步骤6，利用6G基站相控阵天线机电耦合模型，计算热变形条件下6G基站相控阵天线的方向图，并分析天线电性能设计指标的恶化程度。

6.1.图2表示接收端目标所在方向(θ,φ)相对于坐标轴夹角的方向余弦(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，则相应的基站发射波束最大指向的方向余弦为

接收端目标方向相对于坐标轴夹角的方向余弦可用如下公式计算：

式中，u、v、w分别为接收端目标所在方向(θ,φ)相对于x、y、z坐标轴夹角的方向余弦。

6.2.假设整个阵面温度场分布为T，根据工程中T/R组件研制经验和实际性能测试数据，6G基站相控阵天线系统中温度变化对激励电流幅度误差ΔI(T)、相位误差

的影响可用下式表示：

6.3.假设第(m,n)号阵元的位置偏移量为(Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn),考虑阵面结构受力变形、阵面加工装配误差引起的阵元位置偏移、指向偏转以及温度影响引起的馈电误差，6G基站相控阵天线的机电热耦合模型可由下式表示：

式中，I'_mn＝I_mn(1+ΔI_mn)表示第(m,n)阵元的激励电流幅度加权系数，其中I_mn表示初始激励电流幅度，ΔI_mn表示温度变化时第(m,n)阵元的激励电流幅度误差，m(1≤m≤M)表示天线阵元行数，n(1≤n≤N)表示天线阵元列数；

表示第(m,n)阵元与第(0,0)参考阵元之间的空间相位差，其中，

表示波常数，λ为相控阵天线的波长；β_mn＝k(md_xu₀+nd_yv₀)表示由移相器提供的第(m,n)阵元与第(0,0)参考阵元之间的阵内相位差，u₀、v₀分别为基站天线发射波束最大指向相对于x、y坐标轴夹角的方向余弦；

表示第(m,n)阵元位置偏移引起的远场空间相位变化，其中，(Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn)为第(m,n)阵元的位置偏移量，(Δx_0,0,Δy_0,0,Δz_0,0)为第(0,0)阵元的位置偏移量；j表示虚数。

步骤7，利用6G基站相控阵天线结构-信道容量耦合模型，计算相应的通信性能指标并分析其的恶化程度。

在通信下行链路中6G基站相控阵天线作为发射端天线，可用下式来描述射频器件热功耗对通信系统信道质量的影响机理：

式中，C表示信道容量(bps)；B表示信道工作带宽(Hz)；d表示收发天线之间的距离；N₀是加性高斯白噪声的功率谱密度(W/Hz)；P_T表示发射天线的发射功率；F_R(θ,φ)表示接收天线的归一化场强方向图函数；G_R表示接收天线的最大辐射方向增益；F_T,BS(θ,φ)表示基站端发射天线的归一化场强方向图函数；G_T,BS表示基站端发射天线的最大辐射方向增益；γ_R表示接收端匹配系数，表征接收天线与负载的匹配程度且当共轭匹配时γ_R＝1，同理γ_T表示发射端匹配系数；cos(ξ)表示极化匹配因子且当极化匹配时ξ＝0,cos(ξ)＝1。

步骤8，根据6G基站相控阵天线设计指标要求判断该热变形条件下的6G基站相控阵天线通信性能是否满足要求。

6G基站相控阵天线设计指标要求为增益损失小于0.5dB、信道容量损失小于10Mbps。如果满足该要求，则输出当前条件下的6G基站天线各性能指标；否则，修改基站天线工作参数，重复步(3)至步骤(7)，直至性能满足要求。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

一、仿真条件

本实例以中心工作频率为28GHz，阵元为如图3所示的矩形微带贴片天线为例，并以此组建了包含256个阵元的6G通信基站大规模阵列天线模型，天线阵元间距为λ/2，这里选取其中某个波束对应的8×8子阵列为研究对象。本实例中基站天线的结构参数与工作热环境参数分别如表1、2所示。选取增益损失小于0.5dB、副瓣电平抬升量小于5dB与信道容量损失量小于10Mbps作为6G基站相控阵天线的通信性能指标。

表1 6G基站天线阵元几何结构参数

表2 6G基站天线工作热环境参数

热参数	参数值
		单个射频芯片热功耗(mW)	40
基站环境温度(℃)	20
		对流换热系数W/(m<sup>2</sup>·K)	0.52

二、计算当前条件下6G基站天线的信道容量

1.根据该阵列天线热载荷环境与约束条件，利用ANSYS软件对其建模进行热变形分析，并利用Matlab软件进行曲面拟合。

根据基站天线实际工况，对基站阵列天线模型的四角进行约束，并在ANSYS软件中对其进行热分析，温度场仿真分析结果如图4(a)、(b)所示。由图4(a)、(b)可知阵列天线正、反面温度场分布均呈现由中心向四周温度逐渐降低的趋势且上下、左右对称，整体最高温度出现在射频器件分布面的中心位置。由于阵列天线中热膨胀只产生线应变，剪切应变为零，因此热变形可以看作是温度载荷作用下的节点位移。接下来将阵面的温度场分布作为结构位移场分析的载荷，利用插值算法把各个节点温度数据加到ANSYS中划分的网格节点上，实现热对结构的影响计算。该阵列天线结构热变形的ANSYS仿真分析结果如图5所示，整个阵面的变形位移左右、上下均对称，符合对称温度分布引起的热变形分布情况；最大位移发生在阵面中心区域，最大位置偏移量0.227mm。

通过提取该基站阵列天线变形后有限元模型的节点位移信息，在MATLAB中进行曲面拟合，获得变形后的阵面拟合曲面如图6所示，以及该曲面拟合方程可由式(7)表示，即

2.利用6G基站相控阵天线机电耦合模型，计算热变形条件下基站方向图。

利用6G基站相控阵天线机电热耦合模型以及各辐射阵元热变形位移量，计算热变形前后基站天线的电性能变化情况。其中，阵列天线服从等幅同相分布(即天线处于未扫描状态)。图7(a)、(b)分别表示电性能变化前后该基站阵列天线E面(φ＝0°)、H面(φ＝90°)增益方向图，以及从中提取的基站阵列天线主要电性能参数如表3所示。

表3 6G基站相控阵天线电参数变化情况

(注：副瓣电平取左、右副瓣中最大的一个；变化量“+”表示升高，“-”表示降低)

从中总结出以下几点：(1)假设接收端阵列天线处于理想工作状态，其最大辐射方向仍旧对准发射端基站阵列天线理想情况下的最大辐射方向(0°,0°)，基站天线(0°,0°)方向的增益损失为-0.0534dB；(2)对于电性能变化后基站阵列天线的最大辐射方向，E面(φ＝0°)与H面(φ＝90°)的最大辐射方向分别偏移了0.55°、0.58°；(3)E面(φ＝0°)与H面(φ＝90°)的副瓣电平抬升量均呈现出由近区副瓣到远区副瓣逐步增加的趋势，最大达到0.2422dB。

3.计算该基站子波束对应的信道容量。

假设理想情况下该基站天线系统的信噪比为30dB。根据公式(5)(6)，由于该6G基站天线电性能变化造成的主要通信指标信噪比、信道容量变化前后的比值可分别为98.78％、99.82％。为方便后续计算将理想情况下信道容量数值四舍五入约为3Gbps，因此在6G基站阵列天线电性能降低后，该信道的峰值速率大约损失了5.4Mbps。

三、结果分析

上述仿真数值实验证明，当前条件下的6G相控阵基站通信性能(增益损失-0.0534dB，副瓣电平抬升量0.2422dB以及信道容量损失量5.4Mbps)符合设定要求，然而这仅是由于射频器件热功耗造成的信道容量下降，相比之下在实际通信场景中还存在路径衰减、建筑物阻挡等影响因素。

Claims (6)

1.一种基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据6G基站相控阵天线的结构设计方案，确定其结构参数和工作频率；

(2)给定初始基站天线热工作环境参数；

(3)根据阵列天线热载荷环境与约束条件，利用ANSYS软件对6G基站相控阵天线建模并进行结构热载荷变形分析；

(4)基于热变形分析结果，计算并提取阵面热变形前后的各阵元位置信息；

(5)根据热变形前后阵元位置，利用Matlab软件进行曲面拟合并计算各阵元位置的指向偏转角；

(6)利用6G基站相控阵天线机电耦合模型，计算热变形条件下6G基站相控阵天线的方向图，并分析天线电性能设计指标的恶化程度；

(7)利用6G基站相控阵天线结构-信道容量耦合模型，计算相应的通信性能指标并分析其恶化程度；

所述相控阵天线结构-信道容量耦合模型如下：

式中，C表示信道容量(bps)；B表示信道工作带宽(Hz)；d表示收发天线之间的距离；N₀是加性高斯白噪声的功率谱密度(W/Hz)；P_T表示发射天线的发射功率；F_R(θ,φ)表示接收天线的归一化场强方向图函数；G_R表示接收天线的最大辐射方向增益；F_T,BS(θ,φ)表示基站端发射天线的归一化场强方向图函数；G_T,BS表示基站端发射天线的最大辐射方向增益；γ_R表示接收端匹配系数，表征接收天线与负载的匹配程度且当共轭匹配时γ_R＝1，同理γ_T表示发射端匹配系数；cos(ξ)表示极化匹配因子；λ为相控阵天线的波长；

(8)根据6G基站相控阵天线设计指标要求，判断该热变形条件下的6G基站相控阵天线通信性能是否满足要求，如果满足要求，则输出当前条件下的6G基站天线各性能指标；否则，修改基站天线工作参数，重复步骤(3)至步骤(7)，直至性能满足要求。

2.根据权利要求1所述的基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定6G基站相控阵天线的结构参数，包括行数M、列数N与x、y方向的阵元间距d_x、d_y，以及长L_d、宽W_d和馈电位置。

3.根据权利要求1所述的基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，天线热工作环境参数包括射频器件热功耗、工作环境温度以及基站天线对周围环境的对流换热系数。

4.根据权利要求1所述的基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，所述步骤(5)按如下过程进行：

(5a)假设阵面热变形后由Matlab软件进行拟合的曲面方程是z-f(x,y)＝0，且该曲面上某阵元几何中心点处的切平面的法向量为

其中，当

与z轴正向所成的夹角是锐角时取正号，反之取负；

(5b)第(m,n)号阵元(0≤m≤M-1,0≤n≤N-1)的指向偏转角(Δθ_mn,Δφ_mn)可由下式计算：

5.根据权利要求4所述的基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，所述步骤(6)按如下过程进行：

(6a)根据接收端目标所在方向(θ,φ)相对于坐标轴夹角的方向余弦(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，则相应的基站天线发射波束最大指向的方向余弦为

接收端目标方向相对于坐标轴夹角的方向余弦可用如下公式计算：

式中，u、v、w分别为接收端目标所在方向(θ,φ)相对于x、y、z坐标轴夹角的方向余弦；

(6b)假设整个阵面温度场分布为T，根据工程中T/R组件研制经验和实际性能测试数据，6G基站相控阵天线系统中温度变化对激励电流幅度误差ΔI(T)、相位误差

的影响可用下式表示：

(6c)假设第(m,n)阵元的位置偏移量为(Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn),考虑阵面结构受力变形、阵面加工装配误差引起的阵元位置偏移、指向偏转以及温度影响引起的馈电误差，6G基站相控阵天线的机电热耦合模型F_BS(θ,φ)可由下式表示：

式中，I'_mn＝I_mn(1+ΔI_mn)表示第(m,n)阵元的激励电流幅度加权系数，其中I_mn表示初始激励电流幅度，ΔI_mn表示温度变化时第(m,n)阵元的激励电流幅度误差，m(1≤m≤M)表示天线阵元行数，n(1≤n≤N)表示天线阵元列数；

表示第(m,n)阵元与第(0,0)参考阵元之间的空间相位差，其中，

表示波常数，β_mn＝k(md_xu₀+nd_yv₀)表示由移相器提供的第(m,n)阵元与第(0,0)参考阵元之间的阵内相位差，u₀、v₀分别为基站天线发射波束最大指向相对于x、y坐标轴夹角的方向余弦；

表示第(m,n)阵元位置偏移引起的远场空间相位变化，其中，(Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn)为第(m,n)阵元的位置偏移量，(Δx_0,0,Δy_0,0,Δz_0,0)为第(0,0)阵元的位置偏移量；j表示虚数；f_mn为第(m,n)号阵元的指向偏转角(Δθ_mn,Δφ_mn)的振元方向图函数。

6.根据权利要求1所述的基于机电耦合的6G通信天线信道容量预测方法，其特征在于，所述6G基站相控阵天线设计指标要求为增益损失小于0.5dB，信道容量损失小于10Mbps。

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