[發明專利]基于電磁矢量傳感器的MIMO-Y型天線陣列形成方法

在審

• 申請號: 201410484158.0
• 申請日: 2014-09-19
• 公開（公告）號: CN104270182A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 周杰;王亞林
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H04B7/04
• 分類號: H04B7/04;H04B7/08
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 顧進

1.基于電磁矢量傳感器的MIMO-Y型天線陣列形成方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、計算接收端多天線為Y型陣列時的入射信號空間導向矢量，

所述Y型陣列由Y₁、Y₂、Y₃三個子線形陣列組成，相鄰子線形陣列夾角為120°，相鄰陣元間距為d，假設第k個天線陣元的坐標為(x_k，y_k)(k＝1，2，...，3M)，則

xk=(k-1)dk≤M-0.5(k-M-1)dM+1≤k≤2M-0.5(k-2M-1)d2M+1≤k≤3M]]>

yk=0k≤M0.53(k-M-1)M+1≤k≤2M-0.53(k-2M-1)2M+1≤k≤3M]]>

以三維坐標中的原點為參考點，所述Y型陣列的導向矢量為：

α(θ，ψ)_UYA＝[α₁(θ，ψ)^T，α₂(θ，ψ)^T，α₃(θ，ψ)^T]^T

其中，

α1(θ,ψ)=[1,ejkωτ2,...,ejkwτM]Tα2(θ,ψ)=[1,ejkwτM+2,...,ejkwτ2M]Tα3(θ,ψ)=[1,ejkwτ2M+2,...,ejkwτ3M]T]]>

其中k_ω＝2π/λ，λ表示接收信號的波長，τ_k＝x_kcosψsinθ+y_ksinψsinθ，得到：

α(θ,ψ)UYA=[1,...,ejkwd(k-1)cosψsinθ,...,1,...,ejkwd(k-M-1)(-12cosψ+32sinψ)sinθ,...,1,...,ejkwd(k-2M-1)(-12cosψ+32sinψ)sinθ,...]T;]]>

步驟二、計算基于電磁矢量傳感器的所述Y型陣列導向矢量，

電磁矢量傳感器EVS的導向矢量為：

αEVS(Θ)=[eTbT]T=Ψ(θ,ψ)Ω(γ,η)=cosθcosψ-sinψcosθψsinψcosψ-sinθ0-sinψ-cosθψcosψcosψ-cosθψsinψ0sinθsinγejηcosγ]]>

引入電磁矢量傳感器的所述Y型陣列導向矢量表示為：

αEYA(Θ)=αEVS(Θ)⊗αUYA(θ,ψ);]]>

步驟三、計算所述Y型陣列空間衰落相關性函數，

在MIMO多天線陣列中，陣元m和陣元n之間的空間衰落相關定義為：

其中E[·]為數學期望，(·)^*表示復數共軛，為陣元m接收信號能量均值，和分別為陣元m和n的導向矢量，為波達信號的三維空間概率分布函數，在所述Y型陣列中ρ(m，n)的實部和虛部分別為

Re[ρ(m,n)]=-1sinc(Δθ)sin(θ0)×{Σk=0∞Σm=0k(-1)2k+m+1Z2k(22kk!)22k+1m×sinc[(2k+1-2m)Δθ]sin[(2k+1-2m)θ0]+2Σk=1∞Σm=0∞Σl=0k+m(-1)k+2m+l+1m!Γ(2k+m+1)×sinc(2kΔψ)cos(2k(ψ0+ξ))×sinc[[2(k+m-l)+1]Δθ]2(k+m)+1l×sin[[2(k+m-l)+1]θ0](Z4)2(k+m)}]]>

Im[ρ(m,n)]=2sinc(Δθ)sin(θ0)Σk=0∞Σm=0∞(-1)mm!Γ(2k+m+2)×sinc[(2k+1)Δψ]×sin[(2k+1)(ψ0+ξ)](Z2)2(k+m)+1×{122(k+m+1)2(k+m+1)k+m+1+Σl=0k+m(-1)k+m+l+122(k+m)+1×sinc[2(k+m-l+1)Δθ]cos[2(k+m-l+1)θ0]2(k+m+1)l}]]>

其中，sinc(x)＝sin(x)/x，Z=Zx2+Zy2,ξ=tan-1ZxZy,]]>且

Z_x＝k_w(x_m-x_n)，Z_y＝k_w(y_m-y_n)；

步驟四、計算所述Y型陣列的陣元為電磁矢量傳感器單元的空間衰落相關性，

所述Y型陣列中第m個電磁矢量傳感器的第p個空間極化分量與第n個電磁矢量傳感器的第q個空間極化分量的空間衰落相關函數為

ρ(m,n,p,q)=γ(m,n,p,q)ΦpΦq=∫ψ0-Δψψ0+Δψ∫θ0-Δθθ0+Δθ(Ψ1,pΨ1,q+Ψ2,pΨ2,q)ejkwsinθ[(xm-xn)cosψ+(ym-yn)sinψ]sinθdθdψΦpΦq,]]>

其中ΦpΦqT=∫ψ0-Δψψ0+Δψ∫θ0-Δθθ0+Δθ(Σi=12Ψi,p2(θ,ψ))sinθdθdψ∫ψ0-Δψψ0+Δψ∫θ0-Δθθ0+Δθ(Σi=12Ψi,q2(θ,ψ))sinθdθdψ,]]>

化簡可得

Re1[γ(m,n,p,q)]=Σk=0∞(-1)k(k!)2(z2)2k(Ra1a200Sb1b2100+Rc1c200Sd1d2100)]]>

Re2[γ(m,n,p,q)]=2Σk=1∞Σm=0∞(-1)mm!(2k+m+2)(z2)2(k+m)×(Ra1a210Sb1b2010+Rc1c210Sc1c2010)]]>

Re[γ(m，n，p，q)]＝Re₁[γ(m，n，p，q)]+R₂[γ(m，n，p，q)]

Im[γ(m,n,p,q)]=2Σk=0∞Σm=0∞(-1)mm!Γ(2k+m+2)(z2)2(k+m)+1×(Ra1a201Sb1b2001+Rc1c201Sd1d2001)]]>

其中，Rtuvw=∫ψ0+ξ-Δψψ0+ξ+Δψsost(β)sinu(β)cosv(2kβ)cosw[(2k+1)β]dβ]]>

Stuvwx=∫θ0-Δθθ0+Δθcost(θ)sinu(θ)sinv(2k+1)(θ)sinw[2(k+l)+1](θ)×sinx[2(k+l+1)](θ)dθ,]]>

而cos(2nx)=1-4n22!sin2x+4n2(4n2-22)4!sin4x+4n2(4n2-2)(4n2-42)6!sin6x+···,]]>

sin(2nx)=2ncosx{sinx-4n2-223!sin3x+(4n2-22)(4n2-42)5!sin5x-···}.]]>

2.根據權利要求1所述的基于電磁矢量傳感器的MIMO-Y型天線陣列形成方法，其特征在于：

所述步驟四中得到ρ(m，η，p，q)的過程為，將所述步驟三中的ρ(m，η)采用極坐標形式表達

ρ(p,q)=∫ψ∫θ∫γ∫ηαq(Θ)αp*(Θ)sin(θ)p(Θ)dηdγdθdψ∫ψ∫θ∫γ∫η|αp(Θ)|2sin(θ)p(Θ)dηdγdθdψ×1∫ψ∫θ∫γ∫η|αq(Θ)|2sin(θ)p(Θ)dηdγdθdψ,]]>

則αEYA(m,p)(Θ)=αEVSp(Θ)⊗αUYAm(θ,ψ)]]>

=[Ψ1,psinγejn+Ψ2,pconγ]αUYAm(θ,ψ)]]>

其中，α_UYAm(θ，ψ)是所述Y型陣列第m個陣元的導向矢量，Ψ_1，p和Ψ_2，p分別為中Ψ(θ，ψ)的第一列和第二列的第p個元素；假設p(Θ)對于的四個參數θ、ψ、η、γ是相互獨立的，即p(Θ)＝p(θ)p(ψ)p(η)p(γ)且p(η)在[-π，π]上服從均勻分布，p(γ)在[0，π/2]上服從均勻分布，即得到所述步驟四中的ρ(m，η，p，q)。