CN107359909A - 一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法，适用于公路隧道、地铁、矿井中使用。包括自适应稀疏阵列天线，和波束形成网络；推导小于衰减率阈值的导引波模最大阶数，将巷道划分为较高阶导引波模的快速衰落区和慢速衰落区，根据分界点位置导引波模的最大阶数取值，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模；确定天线单元的最佳分布数量及最佳分布位置；根据天线单元的最佳波束指标，选型或优化设计相应的天线单元。其充分利用类波导巷道传播环境中的波导耦合效应增强天线自适应波束成形的灵活性，并降低自适应阵列天线设计的复杂度，提高无线信号传输与覆盖性能。

Description

一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵 结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法，属于无线通信中的阵列天线技术领域，尤其适用于铁路和公路隧道、地铁、矿井中使用的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法。

技术背景

四面受限，壁面由岩石、混凝土介质组成的狭长巷道，如地铁、矿井、铁路和公路隧道等，其传播环境类似于巨大的波导，无线信号被限制在巷道内部，多径现象非常严重。若无线通信采用的天线波束过窄，则距天线较近的场区，尤其是巷道边缘区域，难以得到充分覆盖，形成信号盲区；反之，波束过宽，多径效应难以得到有效抑制，远场区信号的多径衰落和起伏严重，而且还可能受到近区用户通信的干扰。而一些障碍物的存在，可能遮挡了定向天线的主要辐射方向，使无线通信出现不同程度的阴影衰落，大大降低无线信号的覆盖质量。若无线基站、无线锚节点使用的天线能够实时估计用户的方位，通过自适应形成波束优化多径，使能量有选择地集中于对传输有关键作用的路径上，将能大大改善动态环境下无线信号的传输和覆盖。现有的具备自适应波束成形功能的主要为自适应阵列天线技术。然而，巷道传播环境特殊，应用背景不同，一般的自适应阵列天线技术应用其中，性能将可能大大下降甚至失效。

一方面，与一般应用环境中散射体对天线的耦合作用不同，狭长巷道壁的介质电特性使其内部的电波传播特性类似于巨大的波导，由于天线与巷道导引波模的耦合作用，使得天线激励的射线数量、方向和强度都受到导引波模的限制，成为与天线在巷道中安装位置密切相关的函数。如果采用常规设计，例如，使用天线单元间距为半波长的自适应阵列天线，将因为各天线单元在巷道中的相关性极大，与巷道各导引波模的耦合效率基本没有差异，导致一些需要的关键波模都没被有效激励，而另一些不需要的波模则都被强激励，天线波束成形和波束控制的能力因此大受限制。另一方面，信号预处理技术、信道估计和自适应波束成形的性能与阵列天线规模成正比，与信号空间相关性成反比。而巷道空间狭长，限制了阵列天线的规模尺寸；UHF通信频段的信号难以穿透岩石，使得巷道内多径信号极多，信号空间相关性极为严重；若要获得良好的波束成形及控制效果，一般自适应阵列天线的阵结构设计难度、所需技术和算法的复杂度都将明显增加。以上对自适应波束成形技术在巷道等类波导环境中的应用提出了严峻挑战。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种应用难度小，方法简单，对各方向信号控制灵活的类波导巷道传播环境中的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块，包括预判巷道中信号传播的导引波模的而设置的自适应稀疏阵列天线，和自适应稀疏阵列天线内部构成的波束形成网络；

所述自适应稀疏阵列天线包括根据巷道波导耦合效应而确定最佳阵结构的多个天线单元、模数/数模转换模块、自适应信号处理器和动态加权网络；其中多个天线单元分别与模数/数模转换模块相连接，模数/数模转换模块通过动态加权网络与自适应信号处理器相连接；

所述多个天线单元均为比巷道截面尺寸小很多的小体积天线，以最佳阵结构布置；所述阵结构应满足的多天线最佳分布数量及各天线单元的最佳分布位置通过单根小体积天线与巷道中关键导引波模的耦合效率确定；

所述各天线单元的选取和设计满足最佳波束指标，最佳波束指标通过单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中各最佳分布位置的功率角度分布决定；

所述波束形成网络包括自适应信号处理器和动态加权网络；

所述自适应信号处理器利用信道估计，实时分辨巷道中用户的分布情况，据此利用巷道中的多波模波导理论自适应计算出信号能量的幅值、相位沿各导引波模方向的最佳分布，确定自适应稀疏阵列天线应当具备的最佳方向图，进而利用方向图综合技术计算得出各天线单元的最优加权系数；

动态加权网络根据最优加权系数控制多个天线单元的馈电比例，包括馈电的幅度比例和相移比例，使多个天线单元合成自适应稀疏阵列天线所需的最佳辐射方向图，用于无线电磁波信号的接收和发送。

所述模数/数模转换模块将各天线单元接收到的无线电磁波模拟信号转为数字信号，或将数字信号转为各天线单元应发送的无线电磁波模拟信号。

一种自适应稀疏阵列天线的多个天线单元的阵结构设计方法，其具体步骤为：

步骤1.利用应用巷道内各导引波模的相对衰减率推导小于一定衰减率阈值的导引波模最大阶数；计算分析导引波模的最大阶数随信号传播距离的变化规律，据此将巷道划分为较高阶导引波模的快速衰落区和慢速衰落区，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置；根据分界点位置导引波模的最大阶数取值，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模；

步骤2.根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使用的自适应稀疏阵列天线中天线单元的最佳分布数量及各天线单元在巷道中的最佳分布位置；

步骤3.分析单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度分布特征，结合关于天线位置参数的巷道导引波模耦合因子、巷道尺寸的约束条件和接收机功率灵敏度制定巷道中各最佳分布位置处天线单元的最佳波束指标，据此合理选型或优化设计相应的天线单元。

步骤1所述巷道中对信号传播起关键作用的导引波模确定方法：

a1设置相对衰减率门限K_α，根据推导出该范围内导引波模阶数的最大值m_max和n_max；式中，是(m,n)阶导引波模相对最小衰减波模的衰减率；

a2计算信号传播至不同距离时的m_max和n_max值，观察m_max和n_max随信号传播距离的变化速度，将m_max和n_max迅速下降的区域定义为巷道中较高阶导引波模的快速衰落区，将m_max和n_max缓慢变化的区域定义为巷道中较高阶导引波模的慢速衰落区，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置z_I,II；

a3根据分界点位置z_I,II处导引波模的最大阶数取值m_max和n_max，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模。

步骤2所述天线单元的最佳分布数量以及各天线单元在巷道中的最佳分布位置确定方法为：

b1根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使耦合效率达到最大值的天线位置，将其作为自适应稀疏阵列天线中各天线单元最佳分布的备选位置；

b2根据信道相关性最弱准则，兼顾巷道中行车交通、安全方面的因素，从步骤b1确定的备选位置中筛选出天线单元的最佳分布位置，并确定天线单元数。

步骤3所述各天线单元在巷道中各最佳分布位置处的最佳波束指标的制定方法：

c1把单个全向均匀辐射的理想点源置于巷道中心位置处，计算其辐射的电磁波在巷道中快速、慢速衰落区分界点z_I,II处的功率角度谱、平均到达角及角度扩展；

c2根据单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度谱、平均到达角和角度扩展，总结归纳出理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率在空间上应服从的统计分布规律，结合不同天线位置的巷道导引波模耦合因子，得出巷道中最佳分布位置处各天线单元应满足的辐射方向函数及相应的波束形状；

c3根据各天线单元在巷道中最佳分布位置处应满足的辐射向函数并结合巷道几何约束条件和接收机功率灵敏度，计算出各天线单元的半功率波瓣宽度和方向系数的最佳取值范围；巷道几何约束条件包括巷道的几何形状、尺寸大小、巷道中无线通信可容忍的边缘区弱覆盖的近场区范围；接收机功率灵敏度为接收机能够接收到的最小功率阈值；

c4根据各天线单元的最佳波束指标合理选型或优化设计各天线单元。

有益效果：本发明在预判了对信号传播起关键作用的导引波模的巷道中设置的自适应稀疏阵列天线，通过利用关键导引波模与天线的耦合关系设计自适应稀疏阵列天线的最佳阵结构，包括巷道中天线单元的最佳分布数量、各天线单元的最佳分布位置、各天线单元选取和设计应满足的最佳波束指标，在使各关键导引波模得到最佳激励的同时，突破巷道狭窄空间和波导效应的限制，大大降低自适应阵列天线设计复杂度并提高巷道中波束成形、波束控制、多径优化和选择的灵活性，提高地铁、矿井、铁路和公路隧道等类波导巷道环境中的无线信号覆盖的范围、可靠性和抗多径干扰性。

附图说明

图1是本发明类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块的结构框图；

图2是本发明类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线的多个天线单元的阵结构设计方法的流程图；

图3是本发明实施例中设相对衰减率门限为0.8时导引波模阶数最大值随信号传输距离变化曲线；

图4为本发明能最大限度激励出本实施例巷道中关键导引波模的天线最佳耦合位置示意图；

图5为本发明中二元天线不同摆放角度所对应的信道相关系数值；

图6为本发明设观测点距发射天线50m时巷道的电磁波空间分布图。

具体实现方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

本发明的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线及阵结构设计方法以横截面为矩形的巷道为例，巷道截面尺寸宽用w表示,高用h表示，假设w＝6m，h＝4m，不考虑壁面倾斜、粗糙因素的影响。巷道采用直角坐标系，原点位于巷道横截面的中心，x,y,z坐标轴分别沿巷道的宽度，高度和长度方向。巷道两侧壁和顶底两壁的电参数分别为K1、K2。巷道中采用水平极化的小尺寸天线。定义m、n为导引波模的阶数，是不能同时等于0的整数。(m,n)阶导引波模的方向由方位角和俯仰角θ描述。矩形巷道中二者之间的转换关系为：

其中，λ为电磁波波长：λ＝3.0×10⁸/f。f表示载波频率，假设f＝900MHz。

本实施例中，涉及电磁波方向的描述，用波模阶数(m,n)和角度信息表征是等效的。

类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块包括在预判了对信号传播起关键作用的导引波模的巷道中设置的自适应稀疏阵列天线，通过利用关键导引波模的耦合作用设计自适应稀疏阵列天线的阵结构，使每个天线单元激励不同比例和类型的关键波模，从而降低自适应阵列天线设计复杂度并大大提高在巷道中波束成形、波束控制、多径优化和选择的灵活性，提高地铁、矿井、铁路和公路隧道等类波导巷道环境中的无线信号覆盖的范围、可靠性和抗多径干扰性。

如图1所示，本发明的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块，包括预判信号传播的导引波模的巷道中设置的自适应稀疏阵列天线，和自适应稀疏阵列天线内部之间构成的波束形成网络；

一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块，其特征在于：包括预判巷道中信号传播的导引波模的而设置的自适应稀疏阵列天线，和自适应稀疏阵列天线内部构成的波束形成网络；

所述自适应稀疏阵列天线包括根据巷道波导耦合效应而确定最佳阵结构的多个天线单元、模数/数模转换模块、自适应信号处理器和动态加权网络；其中多个天线单元分别与模数/数模转换模块相连接，模数/数模转换模块通过动态加权网络与自适应信号处理器相连接；

所述多个天线单元均为比巷道截面尺寸小很多的小体积天线，以最佳阵结构布置；所述阵结构应满足的多天线最佳分布数量及各天线单元的最佳分布位置通过单根小体积天线与巷道中关键导引波模的耦合效率确定；

所述各天线单元的选取和设计满足最佳波束指标，最佳波束指标通过单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中各最佳分布位置的功率角度分布决定；

所述波束形成网络包括自适应信号处理器和动态加权网络；

所述自适应信号处理器利用信道估计，实时分辨巷道中用户的分布情况，据此利用巷道中的多波模波导理论自适应计算出信号能量的幅值、相位沿各导引波模方向的最佳分布，确定自适应稀疏阵列天线应当具备的最佳方向图，进而利用方向图综合技术计算得出各天线单元的最优加权系数；

动态加权网络根据最优加权系数控制多个天线单元的馈电比例，包括馈电的幅度比例和相移比例，使多个天线单元合成自适应稀疏阵列天线所需的最佳辐射方向图，用于无线电磁波信号的接收和发送。

所述模数/数模转换模块将各天线单元接收到的无线电磁波模拟信号转为数字信号，或将数字信号转为各天线单元应发送的无线电磁波模拟信号。

如图2所示，自适应稀疏阵列天线的多个天线单元的阵结构设计方法，主要包括以下具体步骤：

步骤1：利用应用巷道内各导引波模的相对衰减率推导小于一定衰减率阈值的导引波模的最大阶数；计算分析导引波模最大阶数随信号传播距离的变化规律，据此将巷道划分为较高阶导引波模的快速衰落区和慢速衰落区，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置；根据快速和慢速衰落区的分界点位置关键波模的阶数范围，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模；

a1设置相对衰减率门限K_α，根据推导出该范围内导引波模阶数的最大值m_max和n_max；式中，是(m,n)阶导引波模相对最小衰减波模的衰减率；

本实施例中，(0,1)波模为矩形巷道中的最小衰减波模，各导引波模的相对衰减率计算公式为：

式中，α_mn为(m,n)阶导引波模在矩形巷道中的传播衰减率，由下式计算得出：

α₀₁为(0,1)波模的衰减值，z是信号从发射天线出发沿巷道纵轴的传输距离，α_mn为(m,n)阶波模的衰减率；

a2设置相对衰减率门限K_α，根据推导出该范围内导引波模阶数的最大值m_max和n_max

m_max和n_max的计算公式如下，为关于信号传输距离的函数：

a3计算信号传播至不同距离时的m_max和n_max值，观察m_max和n_max随信号传播距离的变化速度，将m_max和n_max迅速下降的区域定义为巷道中较高阶导引波模的快速衰落区，用I区表示；将m_max和n_max缓慢变化的区域定义为巷道中较高阶导引波模的慢速衰落区，用II区表示，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置z_I,II；图3为m_max和n_max随传输距离的变化曲线，假设K_α＝0.8，z_I,II取30m左右。

a4根据分界点位置z_I,II处导引波模的最大阶数取值m_max和n_max，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模。

由图3所示，z_I,II取30m，则m_max＝2、n_max＝3，关键导引波模的m≤2，n≤3。

步骤2：根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使用的自适应稀疏阵列天线中天线单元的最佳分布数量及各天线单元在巷道中的最佳分布位置，确保各关键波模获得最大限度的激励。

b1根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使耦合效率达到最大值的天线位置，将其作为自适应稀疏阵列天线中各天线单元最佳分布的备选位置。

利用公式：计算电流分布为J、天线效率为η₀、输入功率为m_max的单根小体积天线对巷道中(m,n)阶波模的激励强度n_max；式中，E_mn为巷道中(m,n)阶波模主场分量的电磁矢量场；

利用公式：计算上述单根小体积天线与(m,n)波模的耦合效率η_mn；

其中，Z_mn为(m,n)模波阻抗；η₀为天线本身的效率；P_in为天线的输入功率；

对本实施例的矩形巷道，

小体积天线与(m,n)波模的耦合效率可进一步推导为，

i_x为x方向的单位向量；(x,y,z)为天线位置。

根据上式，能最大限度激励出(m,n)波模的天线最佳耦合位置由下式确定

对于水平极化天线，矩形巷道中传播损耗较低的导引波模依次是(0,1)、(0,2)、(1,0)、(1,1)、(1,2)、(1,3)...以此类推。以前6个关键波模为例：对应的巷道中天线的最佳耦合位置如图4所示，分别为：巷道截面水平方向的对称轴，对应坐标为(x,0,z)；巷道截面水平方向的对称轴以及靠近巷道顶底壁的位置，对应坐标为(x,0,z)和(x,±h/2,z)；巷道截面垂直方向的对称轴上，(0,y,z)；巷道截面中心，对应坐标为(0,0,z)；巷道截面中心和巷道顶底壁中心，对应坐标为(0,0,z)和(0,±h/2,z)；巷道截面中心和靠近巷道顶底壁中心，对应坐标为(0,0,z)和(0,±h/3,z)；

b2根据信道相关性最弱准则，兼顾巷道中行车交通、安全方面的因素，从步骤b1确定的备选位置中筛选出天线单元的最佳分布位置，并确定天线单元数。

利用公式：ρ＝E[T,T^H]计算自适应稀疏阵列天线的信道相关系数矩阵ρ；式中，T为自适应稀疏阵列天线的信道的传输函数；

巷道中，信道的相关性与天线单元的间距以及排列角度有关。一般天线的相干距离通常为波长的数倍。假设有两根天线，其间距为5倍波长，图5为本实施例中两根天线不同摆放角度所对应的信道相关系数。由图可看出，天线排列方向与巷道纵轴越平行，信道相关系数越大，反之，越小。另外，巷道的几何对称结构，使得沿巷道截面中心轴对称的天线完全相关。

一般环境中的阵列天线，天线间距越大，信道相干性越弱，所形成的波束栅瓣越多，不利于天线的扫描及波束性能。而巷道壁的遮挡，对电磁波有聚合作用，因此，在巷道中不必担心信道弱相干的负面影响，而是利用信道的弱相干性，来降低多天线***中天线单元的数量和相应的设计复杂度。

基于图5结论，以对图4中6个关键波模的控制为例，根据信道相关性最弱准则，可在巷道顶壁与侧壁的拐角安装1根天线，以利于控制(0,2)波模方向的电磁波；在巷道侧壁中心安装1根天线，以利于控制(0,1)波模方向的电磁波；而(1,0)、(1,2)、(1,3)波模的最佳耦合位置都在巷道截面沿垂直方向的对称轴上，可在优先考虑天线单元排列方向与巷道顶壁相垂直的基础上，即尽可能降低信道相关性的基础上，采用一般的阵天线设计方法选择天线间隔和数量。

(1,1)波模的最佳耦合位置只有巷道中心，而最弱耦合位置为巷道壁附近，考虑巷道中行车交通、安全方面的因素，不考虑对该波模的控制。

步骤3：分析单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度分布特征，结合不同天线位置的巷道导引波模耦合因子、巷道尺寸的约束条件和接收机功率灵敏度制定各天线单元在巷道中各最佳分布位置处的最佳波束指标，据此合理选型或设计相应的高增益天线，以提高巷道中各天线单元的工作效率以及对关键波模的控制能力：

c1把单个全向均匀辐射的理想点源置于巷道中心位置处，计算其辐射的电磁波在巷道中快速、慢速衰落区分界点z_I,II位置的功率角度谱、平均到达角及角度扩展；

利用公式：计算巷道中单个理想点源辐射电磁波在快速、慢速衰落区分界点z_I,II处的功率角度谱P(m,n)；

利用公式：计算辐射电磁波在水平面的功率角度谱P(m)；

利用公式：计算辐射电磁波在垂直面的功率角度谱P(n)；

利用方位角和俯仰角θ描述(m,n)阶导引波模的方向；

将角度信息替代上述功率角度谱公式中的(m,n)，从而得到功率与角度的关系：将P(m,n)、P(m)和P(n)用角度表示为和

利用公式：计算辐射电磁波沿巷道水平面方向的平均波达角度

利用公式：计算辐射电磁波沿巷道水平面方向的角度扩展

利用公式：计算辐射电磁波沿巷道垂直面方向的平均波达角度

利用公式：计算辐射电磁波沿巷道垂直面方向的角度扩展σ_θ；

式中：E(·)为数学期望：

c2根据单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度谱、平均到达角和角度扩展，总结归纳出理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率在空间上应服从的统计分布规律，结合不同天线位置的巷道导引波模耦合因子，得出巷道中最佳分布位置处各天线单元应满足的辐射方向函数及相应的波束形状；

不同天线位置的巷道导引波模耦合因子η_c,mn利用公式：计算，式中，max(η_mn)为η_mn的最大值；

根据对巷道中功率角度谱的统计分析，电磁波功率在空间上服从高斯分布。

图6为本实施例巷道的电磁波空间分布图，其中实线“—”表示高斯分布；“*”表示计算所得的电磁波功率角度分布，假设观测点距发射天线50m。

天线为双向对称辐射：其中一侧为均值π/2的Gaussian波束，考虑天线在巷道中不同位置与各导引波模的耦合，天线在巷道中不同位置的方向函数为：

式中，巷道导引波模耦合因子

c3根据各天线单元在巷道中最佳分布位置处应满足的辐射向函数并结合巷道几何约束条件和接收机功率灵敏度，计算出各天线单元的半功率波瓣宽度和方向系数最佳取值范围，巷道几何约束条件包括巷道的几何形状、尺寸大小、巷道中无线通信可容忍的边缘区弱覆盖的近场区范围，接收机功率灵敏度为接收机能够接收到的最小功率阈值：

假设巷道中可以容忍的边缘区弱覆盖的范围为z_n，接收机能够接收到的最小功率阈值为K_n。

(1)根据巷道的几何形状、尺寸大小和巷道中可以容忍的边缘区弱覆盖范围为z_n计算得到天线沿水平面辐射的电磁波最大夹角沿垂直面辐射的电磁波最大夹角KP_θ；

本发明实施例应用的矩形巷道中，天线沿水平面辐射的电磁波最大夹角为

(2)利用公式：计算各天线单元在水平面方向辐射电磁波的角度扩展最小限值利用公式：计算各天线单元在垂直面方向辐射电磁波的角度扩展最小限值σ_θ 。式中，K_n为接收机能够接收到的最小功率阈值。

本发明实施例各天线单元的角度扩展最小限值为：

(3)将和σ_θ 代入各天线单元在巷道中最佳分布位置处应满足的辐射向函数利用公式：计算各天线单元在水平面方向图的半功率波瓣宽度的最小限值利用公式：计算各天线单元在垂直面方向图的半功率波瓣宽度HP_θ的最小限值HP_θ ；

(4)将步骤c1计算所得电磁波传播至z_I,II处的角度扩展作为各天线单元应满足的角度扩展最大限值，并代入各辐射向函数利用公式：计算各天线单元在水平面方向图的半功率波瓣宽度的最大限值利用公式：计算各天线单元在垂直面方向图的半功率波瓣宽度HP_θ的最大限值

本发明实施例，公式可进一步简化为公式可进一步简化为

(5)将和σ_θ 代入,利用公式：计算各天线单元应满足的方向系数D的最小值；将c1计算所得电磁波传播至z_I,II处的角度扩展代入，利用公式：计算各天线单元应满足的方向系数D最大值。

C4根据天线波束指标，合理选型或优化设计各天线单元。

自适应稀疏阵列天线的阵结构设计结束。

上述实施例，以矩形巷道为例，只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但并不能以此限制本发明的保护范围，本发明也可用于拱形、圆形、梯形其他截面巷道的实施。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块，其特征在于：包括预判巷道中信号传播的导引波模的而设置的自适应稀疏阵列天线，和自适应稀疏阵列天线内部构成的波束形成网络；

所述自适应稀疏阵列天线包括根据巷道波导耦合效应而确定最佳阵结构的多个天线单元、模数/数模转换模块、自适应信号处理器和动态加权网络；其中多个天线单元分别与模数/数模转换模块相连接，模数/数模转换模块通过动态加权网络与自适应信号处理器相连接；

所述多个天线单元均为比巷道截面尺寸小很多的小体积天线，以最佳阵结构布置；所述阵结构应满足的多天线最佳分布数量及各天线单元的最佳分布位置通过单根小体积天线与巷道中关键导引波模的耦合效率确定；

所述各天线单元的选取和设计满足最佳波束指标，最佳波束指标通过单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中各最佳分布位置的功率角度分布决定；

所述波束形成网络包括自适应信号处理器和动态加权网络；

所述自适应信号处理器利用信道估计，实时分辨巷道中用户的分布情况，据此利用巷道中的多波模波导理论自适应计算出信号能量的幅值、相位沿各导引波模方向的最佳分布，确定自适应稀疏阵列天线应当具备的最佳方向图，进而利用方向图综合技术计算得出各天线单元的最优加权系数；

动态加权网络根据最优加权系数控制多个天线单元的馈电比例，包括馈电的幅度比例和相移比例，使多个天线单元合成自适应稀疏阵列天线所需的最佳辐射方向图，用于无线电磁波信号的接收和发送。

2.根据权利要求1所述的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块，其特征在于：所述模数/数模转换模块将各天线单元接收到的无线电磁波模拟信号转为数字信号，或将数字信号转为各天线单元应发送的无线电磁波模拟信号。

3.一种使用权利要求1所述类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线的多个天线单元的阵结构设计方法，其特征在于步骤为：

步骤1.利用应用巷道内各导引波模的相对衰减率推导小于一定衰减率阈值的导引波模最大阶数；计算分析导引波模的最大阶数随信号传播距离的变化规律，据此将巷道划分为较高阶导引波模的快速衰落区和慢速衰落区，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置；根据分界点位置导引波模的最大阶数取值，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模；

步骤2.根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使用的自适应稀疏阵列天线中天线单元的最佳分布数量及各天线单元在巷道中的最佳分布位置；

步骤3.分析单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度分布特征，结合关于天线位置参数的巷道导引波模耦合因子、巷道尺寸的约束条件和接收机功率灵敏度制定巷道中各最佳分布位置处天线单元的最佳波束指标，据此合理选型或优化设计相应的天线单元。

4.根据权利要求3所述的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线的阵结构设计方法，其特征在于步骤1所述巷道中对信号传播起关键作用的导引波模确定方法：

a1设置相对衰减率门限K_α，根据推导出该范围内导引波模阶数的最大值m_max和n_max；式中，是(m,n)阶导引波模相对最小衰减波模的衰减率；

a2计算信号传播至不同距离时的m_max和n_max值，观察m_max和n_max随信号传播距离的变化速度，将m_max和n_max迅速下降的区域定义为巷道中较高阶导引波模的快速衰落区，将m_max和n_max缓慢变化的区域定义为巷道中较高阶导引波模的慢速衰落区，并由此得出快速和慢速衰落区的分界点位置z_I,II；

a3根据分界点位置z_I,II处导引波模的最大阶数取值m_max和n_max，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模。

5.根据权利要求3所述的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线阵结构设计方法，其特征在于，步骤2所述天线单元的最佳分布数量以及各天线单元在巷道中的最佳分布位置确定方法为：

b1根据单根小体积天线与各关键波模的耦合效率，确定使耦合效率达到最大值的天线位置，将其作为自适应稀疏阵列天线中各天线单元最佳分布的备选位置；

b2根据信道相关性最弱准则，兼顾巷道中行车交通、安全方面的因素，从步骤b1确定的备选位置中筛选出天线单元的最佳分布位置，并确定天线单元数。

6.根据权利要求3所述的类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线阵结构设计方法，其特征在于，步骤3所述各天线单元在巷道中各最佳分布位置处的最佳波束指标的制定方法：

c1把单个全向均匀辐射的理想点源置于巷道中心位置处，计算其辐射的电磁波在巷道中快速、慢速衰落区分界点z_I,II处的功率角度谱、平均到达角及角度扩展；

c2根据单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率角度谱、平均到达角和角度扩展，总结归纳出理想点源在巷道中心位置处辐射电磁波的功率在空间上应服从的统计分布规律，结合不同天线位置的巷道导引波模耦合因子，得出巷道中最佳分布位置处各天线单元应满足的辐射方向函数及相应的波束形状；

c3根据各天线单元在巷道中最佳分布位置处应满足的辐射向函数并结合巷道几何约束条件和接收机功率灵敏度，计算出各天线单元的半功率波瓣宽度和方向系数的最佳取值范围；巷道几何约束条件包括巷道的几何形状、尺寸大小、巷道中无线通信可容忍的边缘区弱覆盖的近场区范围；接收机功率灵敏度为接收机能够接收到的最小功率阈值；

c4根据各天线单元的最佳波束指标合理选型或优化设计各天线单元。