角能量分布及互耦效應(yīng)對(duì)MIMO天線系統(tǒng)性能影響的研究.pdf

1、摘要MIMO通信系統(tǒng)在提高頻譜效率和增大信道容量上表現(xiàn)出卓越的優(yōu)越性，MIMO系統(tǒng)的性能主要由表征著天線陣列與信道特征的空間相關(guān)性函數(shù)所決定。隨著緊湊型天線的發(fā)展，互耦效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)的影響更加顯著，因此分析互耦效應(yīng)對(duì)于MIMO系統(tǒng)的影響具有重要的意義。本文重點(diǎn)研究了不同入射信號(hào)分布與相關(guān)性的關(guān)系以及互耦效應(yīng)對(duì)于MIMO系統(tǒng)的影響。全文具體工作包括以下幾個(gè)方面。第一，以均勻分布的圓形天線陣列為模型，入射信號(hào)分別為均勻、高斯和拉普拉斯能量分布

2、和三種雙邊帶分布時(shí)，推導(dǎo)出其空間相關(guān)性的精確和近似表達(dá)式，分析了在入射信號(hào)為雙邊分布時(shí)各種因素對(duì)于其空間相關(guān)性的影響。仿真分析結(jié)果表明，雙邊帶分布時(shí)相關(guān)性波動(dòng)幅度和差值取決于中心到達(dá)角之間的差值。第二，分析了互耦效應(yīng)對(duì)多天線性能的影響，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等效分析法對(duì)天線模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，得出阻抗矩陣和收發(fā)端的耦合矩陣。推導(dǎo)出互耦效應(yīng)時(shí)天線陣元空間相關(guān)性的通用表達(dá)式，并論證了它與無(wú)互耦時(shí)空間相關(guān)性的關(guān)系。研究了互耦效應(yīng)分別對(duì)平行天線陣列和共線天線陣

3、列陣元間空間相關(guān)性的影響。仿真分析表明，互耦效應(yīng)對(duì)于兩種天線陣列的影響顯著不同，適當(dāng)?shù)倪x擇天線陣列可以有效地改善互耦效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。第三，針對(duì)在互耦效應(yīng)影響下，均勻線形天線陣列在陣元間距較小時(shí)信道容量急劇下降的問(wèn)題，提出一種具有空域?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)的均勾圓型天線陣列。在建立網(wǎng)絡(luò)等效模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出互耦效應(yīng)下空間相關(guān)性的通用表達(dá)式，并在來(lái)波角譜為高斯分布的情況下與均勻線型天線陣列的容量性能作仿真比較。仿真結(jié)果表明：均勻圓型陣列的空間對(duì)

4、稱(chēng)性排布結(jié)構(gòu)使其具有良好的互補(bǔ)性，這種天線陣列具有非常穩(wěn)定的信道容量，可以有效地改善互耦效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。第四，針對(duì)非頻率選擇性瑞利衰落的MIMO信道，建立接收天線的空間三維信道模型，將信道建模推廣到空間域。建立了天線陣列間在互耦效應(yīng)下的等效網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)出三維模型下的互耦相關(guān)性的通用表達(dá)式。應(yīng)用該公式分析了當(dāng)接收端為不同的天線陣列時(shí)，入射信號(hào)中擴(kuò)展角和俯仰角的中心到達(dá)角和角度擴(kuò)展分別對(duì)于互耦效應(yīng)下信道容量的影響。數(shù)值分析驗(yàn)證了不

5、同的角度擴(kuò)展對(duì)于互耦相關(guān)性的影響，仿真結(jié)果表明互耦效應(yīng)下影響系統(tǒng)容量的主要因素為入射信號(hào)的平均中心到達(dá)角。關(guān)鍵詞：MIMO互耦效應(yīng)，空間相關(guān)性，信道容量，信道模型；IexplicitlyderivedbaseontheestablishedequivalentmodelthenthestabilityofthechannelcapacityofULAUCAarealsocomparedinthecaseoftruncatedGuassi

6、andistributionofpowerazimuthspectrum.SimulationresultsshowthatthissymmetricUCAcanprovidemestablechannelcapacitythanULAduetoitscomplementarypropertiesamongtheantennaarrayelements.TheeffectofmutualcouplingontheperfmanceofM

7、IMOsystemcanbeimprovedeffectivelybyselectingUCA.FourthlyathreedimensionalantennaarraychannelmodelffrequencynonselectiveRayleighfadingchannelissetupthechannelmodelsettingisextendedtospace.Thispaperanalyzesmutualcouplingbe

8、tweenantennaarraysobtainstheequivalentwkmodelofthemultipleantenna.Thegeneralspatialcrelationexpressionofchannelmodelwiththeimpactofmutualcouplingisderived.Whenthereceiversaredifferentantennaarraystheeffectsoftheangularpa

9、rametersassociatedwiththemeanazimuthofarrival(MAOA)azimuthspread(AS)meanelevationofarrival(MEOA)elevationspread(ES)onthesystemcapacityisinvestigated.Numericalresultsverifythedifferentanglespreadimpactonspatialcrelation.T