MIMO雷达的最小冗余线性阵列配置与优化

提出了一种利用最小冗余非均匀线性阵列对多输入多输出(MIMO)雷达系统进行阵列配置优化从而提高参数估计性能的方法。文中从MIMO雷达信号模型出发,分析了均匀线性阵列与非均匀线性阵列两种配置下,MIMO雷达系统获得的虚拟阵元数的差异,给出了一种在物理阵元数量较大时最小冗余非均匀线性阵列的生成方法。仿真结果表明:最小冗余线性阵列能够利用较少的物理阵元个数获得与均匀线性阵列相同的参数估计性能。而在物理阵元个数相同的情况下,最小冗余非均匀线性阵列MIMO雷达可以获得更多的虚拟阵元、更好的参数估计性能和更低的克拉美·罗界。     

基于电磁矢量传感器的MIMO天线阵列系统研究

将电磁矢量传感器(EVS,electromagnetic vetor sensor)信号处理法与传统MIMO信号处理有机地结合,建立了基于EVS的多天线三维信道模型。采用多重信号分类(MUSIC,multiple signal classification)算法对MIMO的达波信号方向(DOA,direction of arrival)进行空间谱估计,导出基于EVS的三维空间信道解析式,阐明了EVS信号处理与MIMO多径信道相关性的关系。与传统标量传感器阵列(SSA,scalar sensor array)MIMO天线阵列比较,EVS阵列能获取达波信号的多维极化信息,同时具有空间域和极化信号处理能力。因此可缓解空间多径信道相关性,使空间极化分量的相关性趋于零值,而且使MIMO系统性能受空间结构的影响较小。理论分析和仿真结果表明在提高MIMO天线系统性能上,基于EVS阵列的系统比SSA系统具有更高的优越性。     

基于十字阵的MIMO雷达的二维DOA估计

多输入多输出（MIMO）雷达使用多个天线同时发射独立波形,在不同位置的目标回波彼此线性独立,以获得较好的空间分辨率。文章提出了基于收发不共位的线阵在水平面内构成十字阵的MIMO雷达信号模型;研究利用MUSIC算法来估计该模型下的MIMO雷达的二维波达角;分析了基于均匀十字阵的MIMO雷达的优越性,并探讨了十字阵MIMO雷达性能与阵元间距的关系,仿真表明,在满足远场条件下,均匀十字阵比均匀线阵可以估计更多的目标而且精度更高;通过非均匀布阵,可以进一步提高MIMO雷达的二维波达角的估计精度。     

MIMO系统和无线信道容量研究

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)理论试图在Shannon信道容量公式基础上导出正比于收发信天线数的MIMO无线信道容量(wCC)公式.由于MIMO系统同时使用多根天线发送同频信号,在MIMO的物理信道中会包含多个虚拟独立瑞利衰落信道.因此MIMO理论关于独立瑞利衰落信道的定义在实...     

Benefit of pattern diversity via two-element array of circular patch antennas in indoor clustered MIMO channels

In this paper, we analyze a multiple-input multiple-output (MIMO) array consisting of two circular microstrip antennas, designed to exploit pattern diversity. We analytically derive the spatial correlation coefficients of this array as a function of the mode excited, for realistic clustered MIMO channel models. We compare the performance of the circular patch array (CPA) against an array of two spaced dipoles. In particular, we compute a theoretical tradeoff to predict when the pattern diversity provided by the CPA is more effective than space diversity from the uniform linear array (ULA), based on the eigenvalues of the spatial correlation matrix. Through simulations, we show that CPAs yield better performance or satisfy more restrictive size constraints than ULAs in clustered MIMO channels, depending on the element spacing of the ULA. These results make the CPA an attractive solution for miniaturized MIMO arrays for portable devices or access points.     

Benefit of Pattern Diversity via 2-Element Array of Circular Path Antennas in Indoor Clustered MIMO Channels

In this paper, we analyze a MIMO array consisting of two circular microstrip antennas, designed to exploit pattern diversity. We analytically derive the spatial correlation coefficients of this array as a function of the mode excited for realistic clustered MIMO channel models. We compare the performance of the circular patch array (CPA) against an array of two space dipoles. In particular, we compute a theoretical tradeoff to predict when the pattern diversity provided by the CPA is more effective than space diversity from the uniform linear array (ULA), based on the eigenvalues of the spatial correlation matrix. Through simulations, we show that CPAs yield better performance or satisfy more restrictive size constraints than ULAs in clustered MIMO channels, depending on the element spacing of the ULA, These results make the CPA an attractive solution for miniaturized MIMO arrays for portable devices or access points.     

一种5G手机的紧凑型16单元多频MIMO天线

提出一种应用于5G智能手机中结构紧凑的16单元多频段多输入多输出(MIMO)天线阵列。该多天线系统由8个紧凑天线阵列对组成,为了预留2G/3G/4G天线的布局空间,这8个天线阵列印刷在智能手机的两侧边上。每个天线阵列对由2个紧凑的间隙耦合环路天线组成,分别布置在系统板的上、下两侧;其中上侧天线工作在LTE band 46(5 150~5 925 MHz),下侧天线覆盖LTE band 42/43(3 400~3 800 MHz)。测试结果表明该天线阵列具有良好的阻抗匹配和隔离性能。同时还对MIMO一些包络相关系数进行了研究分析。最后研究了人手和头对整个天线性能的影响,仿真结果表明,在日常各种使用情况下,该天线阵列也具有良好的辐射特性。     

基于阵元局部分布特征的MIMO雷达阵列设计方法

MIMO雷达采用多发多收的工作模式,减少了天线和收发模块的数量,降低了系统的成本和复杂性,被广泛应用于城市反恐、灾后救援等领域。针对现有二维MIMO雷达阵列存在旁瓣高、成像质量差的问题,本文提出了一种基于各天线单元局部特性的二维MIMO阵列设计方法,设计了等效阵元投影局部密度和二维局部密度两个优化对象,以及边界约束和最小间距约束两个约束条件,通过对方形均匀MIMO阵列进行迭代优化,得到旁瓣更低的阵列排布形式。仿真和实测实验结果表明,本文所设计的二维MIMO阵列的成像结果有更低的旁瓣,且在生命体征检测和人体姿态重构等雷达应用领域都有很好的探测性能,为人体目标的多域信息感知提供了可能。     

三维空间多天线相关性及互耦影响研究

针对三维传播环境下多天线系统空域相关性评估问题,首先将达波信号二维角度谱建模为更为通用的von Mises-Fisher（vMF）分布,并推导了不同阵列流型天线空域相关系数的解析式和近似表达式;然后分析互耦机理及其对接收信号矢量的影响,据此推导了互耦效应下天线空域相关性的闭式表达式,并给出了存在互耦的相关性与无互耦相关性之间的内在关系.仿真结果表明,本文推导的天线相关性表达式与数值计算结果非常吻合.另外,小角度扩展时,考虑互耦效应的天线空域相关曲线围绕着无互耦时的相关性曲线上下波动,且面型阵列具有更好的抗互耦能力.     

天线相关性对MIMO系统BER性能的影响分析

推导了一种基于拉普拉斯角能量分布的天线相关性的精确算法表达式与近似表达式,分析了影响MIMO系统天线空间相关性的因素,并将之用于对MIMO系统的BER分析。在均匀线性阵列跟圆形阵列中,对比了不同衰落因子下,系统BER随信噪比、天线之间距离以及信号到达角的变化关系。分析了决定系统BER的因素以及降低系统BER的方法。最后通过对近似算法的研究发现,在衰落因子a值比较大时,近似算法能很好地代替精确算法,并能大大简化计算复杂度。     

Efficient detection in uniform linear and planar arrays MIMO systems under spatial correlated channels

In this paper, the efficiency of various multiple‐input multiple‐output (MIMO) detectors was analyzed from the perspective of highly correlated channels, where MIMO systems have a lack of performance, besides in some cases, an increasing complexity. Considering this hard but a useful scenario, various MIMO detection schemes were accurately evaluated concerning complexity and bit error rate performance. Specifically, successive interference cancellation, lattice reduction, and the combination of them were associated with conventional linear MIMO detection techniques. To demonstrate effectiveness, a wide range of the number of antennas and modulation formats have been considered aiming to verify the potential of such MIMO detection techniques according to their performance‐complexity trade‐off. We have also studied the correlation effect when both transmit and receiver sides are equipped with uniform linear array and uniform planar array antenna configurations. The performance of different detectors is carefully compared when both antenna array configurations are deployed considering a different number of antennas and modulation order, especially under near‐massive MIMO condition. We have also discussed the relationship between the array factor and the bit error rate performance of both antenna array structures.     

用于超宽带高分辨率成像的二维稀疏MIMO面阵拓扑结构研究

分析并总结了超宽带二维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)面阵拓扑结构设计的两条原则——等效孔径的均匀性与无明显遮蔽性, 并根据这两条原则提出了一种用于超宽带近距离高分辨率成像的新型面阵拓扑结构.与尺寸、阵元数相同的MIMO面阵相比, 该新型面阵结构在仿真获取的方向图中具有更好的聚焦效果和旁瓣抑制能力.并且, 不同距离下的聚焦结果显示, 该面阵的峰值旁瓣水平均要低于另两个阵列2 dB以上.对复杂目标成像的实验结果进一步证明了该阵列良好的成像性能.结合其等效阵元数量较少的特点, 文中提出的这种新型MIMO面阵拓扑结构为高效、实时的超宽带近距离高分辨率成像应用提供了可能.     

均匀圆阵列参数分析

针对一个任意指定最大辐射方向的均匀圆阵列,分析了阵列半径和阵元数目对阵列方位面和俯仰面方向图的影响,阵列半径越大,半功率波束宽度越小。但随着半径的增加,阵列所占空间增大,不利于与移动载体共形,所以应当予以平衡考虑。而阵元数目对阵列特性影响很小,所以只需要取能满足设计需求的最小值即可。     

基于三维空间信道的同心圆天线阵列模型研究

提出了三维(Three Dimension,3D)信道模型下的新型的同心圆天线阵列模型,数值推导该模型的空间相关性与扩展方位角(Azimuth Spread,AS)和俯仰角(Elevation Spread,ES),平均中心到达方位角(Mean Azimuth of Arrival,MAOA)和俯仰角(Mean Elevation of Arrival,MEOA)的函数关系式,通过MATLAB数值仿真,比较不同阵元位置以及不同的空间到达角度对于线性(Uniform Liner Array,ULA)阵列,圆形(Uniform Circular Array,UCA)阵列以及提出的新型同心圆天线阵列结构的空间相关性分布情况,从而验证提出的天线阵列结构具有优越的高容量的性能,进而推动无线通信领域的研究与发展。     

提高小尺寸间距四元MIMO系统信道容量与容量稳定性的新方法

针对小尺寸间距MIMO系统阵元间严重的互耦效应将导致传统直线排列阵信道容量明显下降以及随着入射波平均到达角的增大系统信道容量亦会迅速降低的问题,通过考察空域相关接收信号等效方向图产生畸变的物理原理,提出了一种通过重构阵列排布模式以令其具正方形空间对称特性从而改善系统容量稳定性的新方法。理论分析和数值仿真皆表明,相比于传统四元直线阵,这种由新方法构造的具空间对称结构的四元方阵MIMO系统不仅在小尺寸阵元间隔具强互耦效应时能提高系统信道容量,还具有平均信道容量不随入射波平均到达角变化而基本保持恒定的优点。     

天线阵结构对非视距室内MIMO信道容量的影响

采用2维射线跟踪法分析了非视距室内环境中天线间隔、天线阵形对MIMO系统容量和互补累积分布函数(CCDF)的影响。结果表明随着天线间隔减小,MIMO系统容量降低。10%中断容量表明,天线间隔相同时,有独立同分布瑞利信道容量大于线性阵容量大于方阵容量或者圆形阵容量的关系。当天线间隔大于等于3 时,不同天线阵列阵形对容量影响非常小,此时i.i.d.瑞利信道理论容量几乎全部实现。当天线间隔小于等于1 时,天线阵列阵形对容量影响较大,矩形阵和圆形阵MIMO系统容量相差较小,但都显著小于线性阵列系统容量。在非视距的室内环境中,要实现最大的MIMO容量增益,设计天线阵列时应该对天线间隔和阵列阵形综合考虑。     

均匀圆阵中盲联合角度和时延估计方法

提出了均匀圆阵中一种盲联合角度和时延的估计方法（BJADE）。对阵列天线输出的过采样样本的Fourier变换后信号进行分析，表明此信号具有三线性模型特征。该算法先利用三线性交替最小二乘（TALS）算法估计出方向矩阵和时延矩阵，然后利用时延矩阵的Vandermonde特征、基于最小二乘方法进行时延估计；利用方向矩阵结构特点和基于最小二乘方法进行二维角度估计。仿真结果说明BJADE方法具有较好角度和时延估计性能，且在过载情况下仍有较好的性能。该方法无须信道冲激响应，是一种盲、健壮的联合处理方法。     

均匀圆形阵列的局域互谱尺度STAP算法

机载雷达采用均匀圆形阵列天线具有搜索跟踪方式灵活,能实现方位360°扫描等优点,并且当波束在阵列平面内旋转时,波束形状不会有明显改变.本文建立了均匀圆形阵列机载雷达的杂波模型,从杂波谱的空时分布和杂波特征谱的分布两个方面研究了其杂波特性,提出一种固定结构降维结合自适应降秩的STAP算法:局域互谱尺度法,该方法先用固定结构降维处理器将杂波由全空时降至一个维数较低的空间,以减小计算量,降低训练样本数目,然后采用互谱尺度法选取降维杂波协方差矩阵Ⅳ个最大互谱值对应的特征矢量构成二次降维矩阵,从而保证了在局域范围内,处理器性能最优.仿真结果表明,该算法的性能优于局域处理算法,但运算量和训练样本数与局域处理法相当,且鲁棒性较强.     

阵列布局对机载MIMO信道容量影响

为进一步提高空地(air-to-ground,ATG)下行通信容量,建立了三维基于散射体分布的ATG MIMO单跳同心椭圆环信道模型,结合机载多入多出（multiple input multiple output,MIMO）均匀线阵以及圆阵布局方案,推导了基于阵列结构分量的机载MIMO信道相关矩阵,为通过合理设计机载MIMO天线结构来提升ATG传输速率,分析了阵列结构参数对遍历容量的影响。仿真表明,受ATG远距离通信影响,需要扩大天线间隔来提高MIMO信道容量,且相比于线阵布局,圆阵布局更加适应飞行姿态变化,获得较高的信道容量。      

MIMO雷达非均匀布阵的性能分析

多输入多输出（MIMO）雷达是一种新体制雷达,它在发射端发射正交信号,从而产生虚拟阵元,扩大阵列孔径,在DOA估计、参数识别等方面的性能较相控阵雷达有很大提高。而目前有关MIMO雷达中虚拟阵元的讨论都以均匀线阵（ULA）为基础,并与相控阵雷达的性能进行比较。丈中在ULA的基础上,研究了非均匀线阵（NLA）,研究结果表明,非均匀线阵产生了更多的有效虚拟阵元,与相控阵雷达和ULA布阵MIMO雷达相比．具有更多的空间自由度、更好的克拉关·罗界和更好的DOA性能。