28 GHz下對毫米波透射特性的分析

劉蕾 田磊 陳旭彬 唐盼 張建華

(1. 教育部泛網無線通信重點實驗室，北京 100876； 2. 網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876)

引 言

隨著高速傳輸數據需求不斷增長,推動了未來移動通信系統中毫米波段的應用. 隨著諸如空間波束成形,高增益自適應天線和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)等先進技術的發展,毫米波通信系統模型得到了進一步的發展[1-4]. 然而,由于衍射、反射和散射損耗較大,所以周圍環境對毫米波的通信質量影響很大. 想要發展毫米波技術,就需要深入了解毫米波信道的傳播特性.

有兩種常用的方法來進行毫米波信道建模. 一種是基于傳統的實際測量,另一種是基于使用電磁場理論的仿真. 近年來,基于幾何光學原理的射線追蹤(Ray-tracing)方法由于其簡單和計算高效的優點得到了越來越多的關注[5-6]. 然而,在不同的入射角、極化方式、材料和粗糙度的情況下,透射、反射、衍射和散射的典型參數不足,射線追蹤法因為計算復雜度的限制,較難進行多次反射、衍射和散射的模擬,而且該方法對環境復雜度的要求較高,在較為雜亂的環境下難以得到精確的信道預測結果. 因此,當接收機檢測到多徑分量,或者信號受到兩次及以上的衰減的時候,傳統的測量更準確.

在過去的幾十年中,進行了一些關于在28 GHz,38 GHz,60 GHz和73 GHz的毫米波信道傳播特性的研究[7-11]. 文獻[12]通過考慮不同室內和室外材料對穿透損耗的影響,得到透明玻璃的穿透損耗約為3.9 dB. 此前在文獻[13]中提出的測量結果表明,當無線信號透過透明玻璃時,穿透損耗可以忽略不計,而玻璃被金屬涂層覆蓋時,其穿透損耗顯著提高了25 dB至50 dB. 文獻[14]根據對典型墻壁、地板和窗戶的透射系數的分析,描述了多層電介質模型. 文獻[15]研究了入射角、介質材料的折射率和厚度對透射系數的影響. 文獻[16]討論了任意層狀介質中電磁波的透射系數. 石灰石和磚墻的粗糙表面散射特性見文獻[17].

在此前諸多學者的研究工作中主要考慮在透射測量中,不同入射角、材料粗糙度對透射系數的影響,但是仍有一些影響透射系數的情況沒有被充分地考慮到.為了提供毫米波信道的更為準確的參數,

我們考慮了不同的入射角、垂直和水平極化以及發射端(Transmitter,Tx)和接收端(Receiver,Rx)之間的不同距離對系數的影響,在28 GHz高頻頻點下的玻璃門兩側處進行了透射測量.

本文將測量數據進行處理并與光滑表面和高斯粗糙表面的菲涅耳傳播定律模型進行了對比. 觀察透射系數與不同入射角、極化方式、材料粗糙程度和收發端距離的關系. 從而為第5代移動通信(The 5th Generation,5G)毫米波透射特性研究的進一步發展提供參考與幫助.

1 測量準備和測量方法

1.1 測量準備

在測量中,使用800 MHz帶寬的信號探測儀來捕獲信道數據. 在Tx側,首先生成長度為511的偽隨機序列,然后信號通過上變頻器調制到28 GHz,使用功率放大器將其功率增加到30 dBm. 采用一對25 dBi喇叭天線,水平方向的3 dB波束寬度為10°,垂直方向的為11°. 在Rx側,低噪聲放大器可以放大接收信號,保證高信噪比(Signal Noise Ratio,SNR). 接著下變頻器將接收到的信號解調為基帶信號. 采樣率是原始偽噪聲(Pseudo-Noise,PN)序列的3倍,延遲分辨率約為0.833 ns,PN序列的整個持續時間為1.28 μs. 測量系統的參數總結在表1中.

表1 測量系統參數

我們在北京郵電大學教三樓玻璃門兩端進行了測量. 玻璃門由厚度為1.1 cm的透明玻璃制成. 如圖1所示,Tx側是戶外環境,Rx側是室內環境.

圖1 測量環境

1.2 透射測量規劃

為了獲得精確的透射系數,在99個Tx-Rx位置和99個視距(Line-of-Sight,LOS)路徑位置在玻璃門兩側進行了28 GHz的測量,用玻璃門打開時的接收信號作為參考. 為了研究不同極化方式,收發端距離和入射角對穿透特性的影響,我們設計了三種測量場景.

1.2.1 角度和極化對穿透特性影響

如圖2所示,Tx和Rx按照所需要的入射和接收角度相向放置在玻璃門的兩側. 發射和接收天線采用水平(垂直)極化方式.θe和θt分別代表入射角和透射角.dt和dr分別表示TX和RX到玻璃門的距離. 在我們的測量中,遠場距離設置為2.4 m,可以通過式(1)計算:

(1)

式中:La是天線的最大尺寸,為11 cm;λ是電磁波的波長.

在測量中,dt和dr都設為2.5 m,入射角從0°開始每隔5°測量一次,直到80°. 透射系數可以由不同入射角和不同極化方式的測量數據計算得到.

圖2 探究不同入射角和極化方式對透射系數影響的測量示意圖

1.2.2 距離對透射特性影響

為了研究距離對透射性能的影響,將Tx和Rx放置在玻璃門的兩側,并放置在一條線上． 圖3和圖4提供了測量示意圖.dt和dr同時從0.4 m增加到3.5 m,間隔為0.1 m,入射角設為0°和45°.

圖3 0°入射角下探究不同Tx-Rx距離對透射系數影響的測量示意圖

圖4 45°入射角下探究不同Tx-Rx距離對透射系數影響的測量示意圖

2 數據處理

2.1 透射系數

2.1.1 電介質半空間的透射系數

當電磁波照射在光滑的表面上時,著名的菲涅爾透射因子可用于描述穿透特性.定律中考慮了材料類型,入射角和極化類型.該材料的特征可以由復介電常數表示:

(2)

式中:介電常數ε=ε0εr;σe是導電率;fc是載波頻率.

斯涅爾定律描述了入射角與電磁波的反射角之間的關系為θr=θe,透射角由式(3)給出:

(3)

式中:θr,θe和θt分別是反射角,入射角和透射角;δ1和δ2分別是介質的復介電常數. 透射系數可以由文獻[18]計算為:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:TM表示橫向磁性,磁場分量平行于邊界;TE是橫向電場情況,電場分量平行于邊界. 在測量中,垂直極化是由TE描述的,而水平極化則由TM描述.

2.1.2 分層電介質的透射系數

式(4)、(5)中的透射系數僅考慮到電介質半空間的一個電介質界面.但實際的測量場景則是介電層兩側被空氣所包圍,需要考慮波穿過介電層的透射問題.所以總透射系數可以由部分波之和給出[18]:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中,θe1,θt1和θe2,θt2分別指從空氣到玻璃的入射角和透射角及從玻璃到空氣的入射角和透射角.同理,垂直極化的透射系數T1和T2可以由式(5)得到,反射系數R1與R2由式(7)計算.

2.1.3 散射情況下的透射系數

式(8)的透射系數僅考慮表面光滑的鏡面穿透情況.當電介質的表面不是理想光滑時,粗糙的表面會導致散射現象,從而減小了透射波的功率.對于粗糙表面的情況,存在散射損耗因子ρs[19]:

(13)

式中,σh是表面高度和平均表面高度的偏差. 因為散射的損耗也會影響透射系數,所以我們考慮到可以通過粗糙表面的散射損耗因子ρs來修改如式(8)表達的透射系數的理論公式. 所以本文最終提出的透射系數模型Trough為

Trough=ρsT.

(14)

2.2 數據處理方法

測量結束之后,原始數據用于計算透射系數:

(15)

式中:pt是接收到的透射功率;而pref是接收到的參考功率. 接收功率可以由RX端收集的IQ原始數據計算出來.

3 測量結果與分析

測量分析中電介質界面的典型性質如下:玻璃的相對介電常數為εr=8 F/m;真空介電常數ε0=8.854×10-12F/m;相對磁導率μr=1 H/m;28 GHz時玻璃門的電導率為σe=0.23 S/m[19].

透射系數由公式(15)計算可得,使用玻璃門打開時的接收功率作為參考. 圖5和圖6描繪了垂直和水平天線極化方式下透射系數的結果.

在圖5中,當入射角從0°增加到80°時垂直極化的透射系數從0.8減小到0.25. 圖6給出了水平極化的透射系數結果: 總體趨勢是一開始保持穩定,隨著入射角度不斷增大,透射系數隨之逐漸增大,當入射角為70°左右時達到最大值,入射角繼續增大至70°和80°之間時透射系數有所減小; 高斯粗糙表面模型計算出的透射系數比65°入射角時的測量結果大0.1.

對比圖5和圖6中兩種天線極化方式的透射系數的結果,發現水平極化的透射系數要比垂直極化的大,而且水平極化的透射系數隨角度增大而穩定地小幅增長再回落,而垂直極化的透射系數隨角度增大而呈現明顯遞減趨勢．

理想光滑表面與高斯粗糙面模型透射系數的比較結果也在圖5和圖6中給出. 由于測試玻璃表面有厚度偏差σh=0.3 mm,導致理想光滑表面的預測結果和高斯粗糙表面模型之間有細微的差異. 通過計算測量所得數據與兩種模型之間的方差,結果發現在垂直和水平兩種極化方式下測量數據與高斯粗糙表面模型更為擬合.

考慮到天線的方向圖和遠場情況,我們也研究了不同距離對穿透特性的影響. 如圖7所示,透射場景下的接收功率隨距離的變化趨勢與LOS場景的結果一致. 在比較LOS和穿透的接收功率后,我們得出結論:0°入射角時的穿透損耗在2.63 dB和3.23 dB之間;而當入射角為45°時,穿透損耗范圍在5.16～5.91 dB之間.

圖5 測量結果與理論垂直極化的透射系數對比

圖6 測量結果與理論水平極化的透射系數對比

圖7 穿透特性與距離關系(dt和dr表示Tx和Rx到玻璃門的距離)

4 結 論

本文使用垂直極化和水平極化的天線在28 GHz

的頻點下進行了對玻璃門透射系數的測量. 然后將測量數據與式(8)的理想光滑表面模型和式(14)提出的高斯粗糙表面模型進行比較. 本文給出了玻璃門的準確透射系數,這些系數是我們用不同入射角和不同天線極化方式測量的數據分析得出的. 為了驗證分析結果的準確性,將測量數據與菲涅爾公式的理論結果進行比較. 雖然光滑表面的菲涅耳公式和高斯粗糙面菲涅耳公式都與測量數據趨勢相同,但結果表明,透射系數均可以與高斯粗糙面菲涅爾公式進行精確建模與擬合. 此外,還分析了不同入射角下的穿透損耗,研究了測量結果與對數距離模型的聯系.

本文在前人對透射研究的基礎之上更加深入地研究了入射角度、天線極化方式及收發端之間距離對透射性能的影響,并給出了每種測量變量下的透射系數值,同時與理想光滑表面及高斯粗糙表面兩種模型進行對比驗證. 這些分析結果都為毫米波系統的未來發展提供了參考和幫助.

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