Diffuse Scattering Propagation and Depolarization Modeling for B5G Millimeter-wave Communications at 40～50 GHz
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摘要: 漫散射传播与极化特性对于准确刻画、掌握毫米波(mmWave)信道传播机理，建立高精度毫米波通信信道模型至关重要。针对毫米波频段建筑材料粗糙面引起的漫散射传播和去极化特性表征不足，缺乏去极化理论模型的问题，该文提出一种基于有效粗糙度理论的漫散射去极化建模方法。从电磁波的极化维度分解粗糙面材料引起的漫散射辐射传播电场，引入去极化指数构建传播模型，利用40～50 GHz频段典型材料的实测数据，研究了功率角度谱、去极化指数和交叉极化鉴别比等漫散射传播及极化特性。结果表明，所提模型能够描述表面粗糙和光滑建筑材料的极化特性，去极化转化率分别高达39%和4%。Abstract: To achieve an accurate characterization and thorough understanding of the millimeter-Wave (mmWave) communication channel propagation mechanism, precise characterization of diffuse scattering propagation and polarization is crucial. These aspects are also indispensable for the development of a high-precision mmWave channel model. In response to the insufficient characterization of diffuse scattering propagation and polarization caused by building materials in the mmWave frequency bands, a novel diffuse scattering depolarization modeling method based on effective roughness theory is presented in this paper. Initially, the electric field of the diffuse scattering radiation produced by the rough surface of building materials is decomposed along the polarization dimension of the electromagnetic wave. Subsequently, the depolarization coefficient is introduced to establish the propagation model. The paper investigates the diffuse scattering propagation and polarization characteristics, encompassing the power angle spectrum, depolarization coefficient, and cross-polarization discrimination ratio, by utilizing measured data of typical materials in the 40～50 GHz frequency range. The obtained results validate that the proposed model effectively captures the polarization characteristics of building materials with both rough and smooth surfaces. The achieved depolarization conversion rates are 39% and 4%, respectively.
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1. 引言
毫米波以其丰富的频谱资源和大带宽特性，被视为第5代和下一代移动通信(B5G)、感知定位和雷达系统的潜在候选频谱之一，备受学术界和企业界的高度关注。与传统的6 GHz以下无线通信信号相比，毫米波在遇到建筑物等障碍物以及雨滴大气效应时会引起极高的路径损耗，因此毫米波/亚毫米波通信技术主要应用于室内热点高容量场景[1–3]。根据预测，未来80%～96%的无线业务将在室内环境中发生。因此，目前的研究重点是室内毫米波无线通信信道的传播特性和信道建模，这是B5G毫米波通信系统设计、优化和性能评估的重要理论基础。
电波在传播过程中经历了反射、衍射、漫散射和透射等机制。在低于Sub-6 GHz的频段，电磁波的波长显著大于建筑材料表面的粗糙度，因此在信道建模中往往忽略了漫散射传播机制。然而，随着频率增加到毫米波范围，电磁波的波长与室内典型建筑材料表面的起伏高度相当，从而导致电磁波撞击材料表面时发生漫散射传播，即2次辐射波在3维空间中的散射分布。漫散射传播会引起大量密集的多径分量，对接收信号的功率分布、时间色散、角度色散和极化等特性产生影响，进而使得室内毫米波无线信号的传播特性变得极为复杂[4–7]。如果在毫米波信道建模中仍然忽略漫散射传播，将严重影响信道模型的准确性。尤其值得注意的是，当粗糙表面的建筑材料与毫米波相互作用时，无线电波的极化特性和状态会发生变化，形成去极化特性(亦称极化失配)，严重改变无线信号的原始极化方式，从而影响接收信号的相位、功率分布、时延色散和角度色散等传播特性，导致毫米波信道的大尺度和小尺度衰落特性发生变化。因此，在研究毫米波电波传播特性和信道建模时，建筑材料的漫散射传播和极化特性成为基本前提，具有重要的意义。
为了研究漫散射传播机理及其引起的极化特性，国内外学者开展了传播测量和信道特性分析。目前，粗糙表面漫散射极化的研究方法主要分为非线性解析法和线性数值计算法两大类。前者的典型代表是矩量法[8]和时域有限差分法[9]，这些方法具有计算精度高，内存开销随着频率增加而增加等特点[10]。线性数值计算方面，文献[11]在3.8 GHz对实验室外墙和偏僻乡下建筑外墙开展了漫散射传播测量。研究发现，表面粗糙的墙面引起的漫散射对电波传播的贡献率高达90%。此外，针对毫米波频段，文献[12]对比分析了60 GHz频段下玻璃窗、石墙和浴室石墙表面的漫散射传播及交叉极化鉴别比(Cross Polarization Discrimination ratio, XPD)。研究指出，粗糙材料表面引起的漫散射会使得信号产生去极化现象。文献[13]在26 GHz 和60 GHz, 45°入射角下对建筑外墙体表面进行了多极化漫散射信道测量，研究发现材料表面引起漫散射传播在非镜面反射方向上产生了约20～30 dB的显著XPD变化。上述工作在毫米波频段对建筑材料引起的电波传播做了测量和分析，为信道建模和系统设计提供了重要数据。
去极化建模方面，学者们提出漫散射传播模型和极化模型，并采用非线性解析法和线性数值计算法等方法进行研究。其中，文献[14]提出一种去极化矩阵模型，利用5.8 GHz下砖墙、木板和水泥墙面测量数据验证了该模型的准确性。另外，文献[15]利用极化转换比(Polarization Conversion Ratio, PCR)表征了非均匀材料表面的漫散射去极化特性，研究结果表明PCR随粗糙度增加而增加。可以看出，目前国内外学者主要集中在Sub-6 GHz以下的低频段和热点毫米波频段，研究了典型建筑材料在固定入射角的漫散射传播及其极化特性。然而，基于宽带毫米波频段多角度漫散射测量、传播特性以及去极化建模有待进一步深入研究。
鉴于此，本文聚焦于毫米波频段的漫散射传播及极化特性研究。在40～50 GHz频段下，对花岗岩、岩石和地毯3种典型的室内建筑材料进行了漫散射多极化传播测量，基于有效粗糙度(Effective Roughness, ER)理论，从线性极化维度分解了电磁波信号，并通过去极化指数构建了去极化指数和XPD的理论模型，补充了以往关于频段、材质种类以及理论模型研究的不足。在此基础上，研究了表面粗糙度、入射角、电波极化和频率对漫散射功率角度谱、去极化指数和XPD的影响。最后，验证了去极化理论模型的准确性和有效性。
2. 去极化理论模型
室内建筑材料与毫米波相互作用产生的漫散射传播机制会改变室内毫米波信道传播特性。漫散射传播过程中的电波极化成为应用毫米波无线信号传播的重要因素。为此，本文首先引入基于有效粗糙度的漫散射传播模型；然后在方向性和后向散射瓣辐射模式基础上，通过在极化维度分解电场分量，构建去极化理论模型，支撑分析毫米波漫散射传播和极化特性。
2.1 基于有效粗糙度的漫散射模型
漫散射传播理论主要包括基尔霍夫近似理论和有效粗糙度理论，其中，ER理论能够准确地描述建筑材料表面引起漫散射传播机制。基于ER理论的漫散射传播模型包括兰伯特、方向性和后向散射瓣3种辐射模式。方向性模型能够准确地描述板状材料在远场情况下镜面反射方向附近的电场分布，一般用于表征相对粗糙材料表面引起的漫散射机理，散射电场表示为[6]
|ES|=E2S0×(1+cosφ2)αR=(SKrirs)dScosθiFαR×(1+cosφ2)αR (1) 其中
FαR=12αR⋅αR∑j=0(αRj)⋅Ij (2) Ij=2πj+1⋅[cosθi⋅(j−1)/2∑w=0(2ww)⋅sin2wθi22w](1−(−1)j2) (3) 其中，ES0代表漫散射波的最大振幅，θi为入射角，φ是镜面反射波与散射波间的夹角，αR是漫散射波瓣的宽度因子(αR越大，波瓣越窄)，K是入射波增益常数，取决于天线增益Gt和输入功率Pt，表示为K=√60GtPt，ri和rs分别为发射天线和接收天线距表面元的距离，S为漫散射传播系数，dS为单位面积漫散射元，FαR是归一化到总散射功率的比例因子。
后向散射瓣传播模型用于描述镜面反射域和入射域的后向漫散射传播，适用于表征表面非常粗糙和内部结构不规则的非板状建筑材料。漫散射电场表示为
|ES|=(SKrirs)dScosθiFαi,αR×[Λ(1+cosβr2)αR+(1−Λ)(1−cosβi2)αi] (4) 其中
Fαi,αR=Λ2αR⋅[αR∑j=0(αRj)⋅Ij]+1−Λ2αi⋅[αi∑j=0(αij)⋅Ij] (5) 其中，αi表示沿入射方向的散射瓣宽度因子，Λ是前后向散射瓣中的功率分配因子(Λ越大，正向散射功率越高)，βr和βi分别表示散射波与镜面方向反射波和入射波之间的夹角，Fαi,αR同样是归一化到总散射功率的比例因子。
2.2 去极化理论建模
由式(1)和式(4)可知，基于有效粗糙度的漫散射模型不能描述远场条件下的漫散射去极化传播特性。为了认知、掌握漫散射传播过程中的极化失配特性，本文构建了去极化理论模型。
首先，建立一个垂直于漫散射电磁波信号传播方向轴Z的参考平面坐标系xoy，如图1所示。将矢量漫散射电磁波信号ES分解为垂直极化分量Ex和水平极化分量Ey[16]，表示为
Ex=ax(t)ej(wt+φt)=|EV|ejφvxEy=ay(t)ej(wt+φt)=|EH|ejφhy} (6) ES=Exx+Eyy (7) 其中，x和y是单位向量，w和φ分别是无线信号的角频率和相位噪声，|EH|, |EV|, φh,φv分别表示水平极化分量和垂直极化分量的幅度和相位，满足
|ES|=√|Ex|2+|Ey|2=√|EV|2+|EH|2 (8) 引入去极化指数描述电波极化模式的转换比重，即水平极化波和垂直极化波之间的转换程度。当发射垂直/水平极化信号时，去极化指数M定义为水平/垂直极化分量EH/V的平方与漫散射电场ES平方的比值，表示为
M=|EH/V|2|ES|2,1−M=|EV/H|2|ES|2 (9) 由此，当发射垂直/水平极化信号时，去极化模型可以表示为
ES=√1−M|ES|ejφvx+√M|ES|ejφhy (10) ES=√M|ES|ejφvx+√1−M|ES|ejφhy (11) 去极化指数M的取值范围为[0,1]，一般用百分数表示，当M越接近于100%时，表明去极化现象愈发明显，入射信号经过粗糙材料表面后耦合的能量越多；当M越趋近0时，可视为漫散射去极化现象逐渐变弱，入射信号被粗糙材料表面耦合的能量越少。
2.3 交叉极化鉴别比
为了进一步深度地分析漫散射去极化特性，引入了XPD指标，即入射波交叉极化与同极化的平均功率之比。从图1中漫散射传播示意图可知，若将发射天线的入射电场定义为
Ei=Ei,x+Ei,y (12) 其中，Ei代表入射电场矢量，Ei,x和Ei,y分别为入射电场的垂直极化分量和水平极化分量，则漫散射电场分量Ex和Ey与入射电场分量Ei,x和Ei,y之间的关系表示为
Ex=CxxEi,x+CxyEi,y (13a) Ey=CyxEi,x+CyyEi,y (13b) 其中，Cxx和Cyy分别代表收发信号为垂直极化和水平极化的同极化信道增益，Cxy和Cyx分别是垂直极化和水平极化发射的交叉极化信道增益。因此，漫散射信号的电场与入射场之间的关系可用漫散射矩阵O表示为
ES=[ExEy]=[CxxCxyCyxCyy][Ei,xEi,y]=OEi (14) 根据式(14)，XPD可以表示为
XPD=10lg(10√10Cxy+10√10Cyx10√10Cxx+10√10Cyy)=10lg(PVH+PHVPVV+PHH) (15) 其中，PVH, PHV, PVV, PHH分别表示不同极化的接收功率，V和H分别为收发天线辐射的垂直和水平极化电波。XPD越高意味着粗糙表面引起的去极化耦合程度越大，交叉极化功率占比越高。
3. 测量与仿真
3.1 测量平台
对花岗岩、岩石和地毯3种典型的室内建筑材料进行了漫散射多极化传播测量。搭建的测量平台与被测量材料如图2所示。
测量平台包括1台工作频率范围为100 MHz～50 GHz的双端口矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)、1对宽带毫米波喇叭天线(40～60 GHz)、1对45 GHz下传输损耗约为20 dBm的射频线缆。测量的频率范围为40～50 GHz，扫频点数为1001，中频带宽设置为2 kHz，发射信号功率设为0 dBm。收发端选用辐射方向性强，极化信号隔离度高的喇叭天线(辐射方向图如图3所示)。收发天线均被固定在距参考地面60 cm的三脚架上，分别连接至VNA的输出和输入端口，发射端天线的入射角依次设置10°, 20°和30°，接收端天线按照5°间隔进行放置，从5°～165°共计33个位置，形成一个2维平面，依次测量不同角度方向的漫散射2次辐射电磁波。考虑不同测量距离下，电磁波照射材料表面面积不同影响漫散射传播的问题，文本将收发机与被测材料间的测量半径设定为中心频率处的83倍波长50 cm，满足40～50 GHz频段内电波传播的远场距离。收发天线的极化模式分别设置为水平极化和垂直极化。由电磁波传播理论可知，斜入射时，反射后的极化状态与入射极化分量相同，但反射分量的辐射和相位会因介质电磁特性和入射角度发生变化，本文后续将在4.1节中的功率角度谱中进行讨论。详细的测量系统参数如表1所示。
表 1 测量系统参数测量参数 取值 测量参数 取值 中心频率 45 GHz 天线类型 喇叭天线 频率带宽 10 GHz 天线极化 水平/垂直极化 扫频点数 1001 入射角 10°/20°/30° 频点间隔 10 MHz 接收角度间隔 5° 中频带宽 2 kHz 测量半径 50 cm 信号功率 0 dBm 收发天线高度 60 cm 被测材料的几何参数和电磁特性参数如表2所示。由表面起伏高度标准差可知，花岗岩可以被视为近似光滑的材料，岩石是相对粗糙的材料，地毯是非常粗糙的材料。
表 2 被测材料的几何尺寸和电磁特性参数测量材料 参量 花岗岩 岩石 地毯 几何
尺寸长 (cm) 76.8 79.55 147.3 宽 (cm) 42.0 80.95 117.6 高 (cm) 1.52 1.88 1.08 起伏
高度表面高度标准差 ({\mathrm{μ}} {\mathrm{m}}) 0.361 70.48 990.89 电磁特性参数[17] 介电常数 5.37 4.59 2.17 电导率 0.2 0.3 0.08 将理想的金属板材料放置在测量位置，收发天线均设为垂直极化模式，发射天线角度不变，依次以5°步进移动接收天线角度，将5次扫频的S21平均值保存为实际的测量数据，作为标准结果的参考测量，记为S_{21}^{{\mathrm{metal}}} 。去除金属基准后，将被测材料放置在测量位置，保持收发天线的同极性配置，获得同极化频率响应。保持同极化扫频测量配置，将接收天线旋转90°，获得交叉极化频率响应。若测量的频率响应记为S_{21}^{{\mathrm{material}}} ，则接收功率可以表示为[18]
P = {\left| {\frac{{S_{21}^{{\mathrm{material}}}}}{{S_{21}^{{\mathrm{metal}}}}}} \right|^2} (16) 3.2 射线追踪仿真校准
利用Wireless Insite软件重建室内建筑材料与毫米波间的相互作用传播机理，获得仿真数据集，进而与测量数据交叉验证极化理论模型。
将花岗岩、岩石和地毯建模为单层结构，电磁特性参数设置为ITU-R P. 2040-1中的标准值[19]，用高斯粗糙面模型描述3种材料表面，接收功率损耗因子Rs表示为[18]
\begin{split} {R_{\mathrm{s}}} = \,& \exp\left\{ {2 \cdot \left[ - 8{{\left(\frac{{\pi {\sigma _{\text{h}}}\cos {\theta _{\mathrm{i}}}}}{\lambda }\right)}^2}\right]} \right\} \\ & \cdot {I_0}\left[8{\left(\frac{{\pi {\sigma _{\text{h}}}\cos {\theta _{\mathrm{i}}}}}{\lambda }\right)^2}\right] \end{split} (17) 其中， {\sigma _{\mathrm{h}}} 为表面起伏高度标准偏差(测量结果如表2所示)， {I_0} (·)为第1类0阶修正的贝塞尔函数。
在40～50 GHz范围内进行X3D射线追踪仿真。为了降低仿真运算复杂度和时间，在不影响结果的情况下，每条传播射线最多经历的反射、透射和衍射次数分别设置为3次、1次和1次，其中采用菲涅尔理论计算反射和透射，一致性绕射理论计算衍射，2.2节中的传播模型计算漫散射。40～50 GHz频段范围内，地毯的各射线传播路径示意图如图4所示。图4中共有124条传播路径，包括反射路径、透射路径、大量漫散射路径和少量衍射路径，其中不同颜色的曲线区分的是不同接收信号的强度。结果表明建筑材料表面引起的漫散射使室内毫米波电波传播机制发生了质的变化，表现为漫散射传播增加了传播路径数，影响接收信号功率分布、时延色散与角度色散等特性。
4. 结果与分析
4.1 功率角度谱
为了探究不同材料与毫米波相互作用机理产生的电波极化特性，图5给出了花岗岩、岩石和地毯在45 GHz频段20°入射角下的同极化与交叉极化接收功率角度谱。结果表明，射线追踪仿真值与测量值吻合较好(平均误差为2 dB)，验证了测量方法的准确性。
从图5(a)可以看出，一是花岗岩各极化的接收功率主要分布在镜面反射方向，这是因为表面高度偏差0.361 cm低于电磁波波长0.667 cm，近似光滑表面产生了镜面反射；二是尽管交叉极化接收功率PHV和PVH低于同极化接收功率PHH和PVV，例如在115°接收角度时接收功率相差约为15 dBm，但是在90°～135°接收角度范围内，交叉极化接收功率为–60～–45 dBm，这表明建筑材料引起的电波极化在一定程度上会影响接收功率强度及角度分布。
从图5(b)可以看出，表面相对粗糙的岩石材料引起2次辐射波分散传播，在镜面反射方向具有明显的波动现象，110°～115°角度范围内的接收功率最大差值可达15 dBm，功率角度谱具有稀疏性，难以区分主功率，这是因为岩石的表面粗糙度和内部不规则性共同引起的毫米波漫散射传播，改变了接收功率的角度分布。
从图5(c)可以看出，毫米波照射地毯表面后2次辐射波分别在100°和130°处形成了约–45 dBm的峰值(低于花岗岩和原石板约16 dBm)，这是因为地毯材料的透射系数高，穿透损耗大，并且漫散射传播现象显著，主功率向各方向分散传播，在非镜面方向出现了强功率路径，导致接收功率整体大幅度下降。这说明了接收功率强度及分布和建筑材料的表面粗糙度密切相关，即表面越粗糙，漫散射现象越明显，接收功率在角度域的色散程度越大。
对比图5(a)、图5(b)和图5(c)发现，漫散射现象为：花岗岩<岩石<地毯。随着表面粗糙度的增加，交叉极化与同极化接收功率之间的差距在缩小，值得注意的是地毯在75°和160°接收角下的交叉极化接收功率均超过了同极化接收功率(差值约10 dBm)，这表明粗糙材料的漫散射可能存在严重的去极化现象，在极化分集技术中有效地利用去极化现象可以提升室内短距离毫米波通信系统的性能。
4.2 去极化指数
为了明确建筑材料漫散射传播过程中引起的极化特性，图6给出了45 GHz频段30°入射角下3种材料的去极化指数。从图6可以观察到，花岗岩的去极化指数M非常小(仅有2%的信号从水平极化转换为垂直极化，大部分的入射信号电波极化模式并未改变)，这意味着近似光滑的材料表面引起的去极化特性较小，可以忽略不计。
随着粗糙度增加，去极化指数明显增大，表现为地毯>岩石>花岗岩，60°接收角时地毯和岩石的去极化指数分别高达49.26%和24.89%，这是因为毫米波波长与材料表面起伏程度相当，或者远小于时，电波传播不能像预期的规律进行传播，在某个接收角度下漫散射现象会严重造成信号极化方式发生转变，使得交叉极化的接收功率与同极化接收功率大小相当，从而影响毫米波的去极化指数特性。
为研究漫散射传播机制与去极化特性间的内生关系，图7给出了45 GHz频段30°入射角地毯材料在不同漫散射传播系数S下的去极化指数。结果表明，一是去极化指数M随着漫散射系数S增加而增加；二是测量值与仿真值间的误差指明地毯的S介于0.5～0.7范围内。上述结果表明去极化程度严重依赖于电磁波在材料表面及内部传播的漫散射特性。
进一步地，图8给出了地毯材料去极化指数误差与漫散射系数间的关系。结果表明，地毯材料的漫散射系数S=0.58时，去极化仿真值与测量值间的误差达到最小值0.27。
表3对比了3种材料的最佳漫散射传播系数S、平均去极化指数M和去极化指数误差E。结果表明表面粗糙度越大，S越大，去极化程度越高。尽管拟合误差随S增加而变大，但是误差E是可以接受的，这说明提出的去极化理论模型能够准确有效地描述相对粗糙材料的极化特性。
表 3 去极化指数最佳拟合误差参数 材料 花岗岩 岩石 地毯 S 0.33 0.52 0.58 M (%) 2.59 21.46 34.5 E 0.11 0.24 0.27 4.3 交叉极化鉴别比
为了探究粗糙材料表面漫散射传播过程中的交叉极化特性，图9给出45 GHz频段20°入射角下地毯和岩石的XPD(红色实线为实际测量值，绿色实线为漫散射模型校准的射线追踪仿真，蓝色实线为无漫散射模型校准的射线追踪仿真。
图9表明漫散射模型校准后的射线追踪仿真值与测量值间的拟合程度一致(平均误差为2 dB)，未校准的仿真值与测量值间的误差较大(平均误差高达15 dB)，这说明漫散射是毫米波信道传播特性分析中不可忽略的机制，会直接影响毫米波的极化特性。因此，认识并掌握漫散射传播及极化特性能够提升毫米波信道特性表征和信道建模的准确性。此外，图9(a)表明，地毯材料在75°和150°接收角下的XPD大于0(达到10 dB)，即同极化接收功率小于交叉极化接收功率，这意味着在较小入射角下漫散射分布同时依赖于电波极化方式和接收机位置。相比粗糙地毯，岩石经漫散射模型校准的仿真值与实测值间的误差较大，这可能是由材料电磁色散特性引起不同电波极化下的信号失真造成的。为了更加直观地描述毫米波宽频段内的极化特性，图10给出了入射角30°时地毯和花岗岩在40～50 GHz频段内的XPD。结果表明，地毯的XPD在整个频段和接收角度内分布不均匀，呈现出明显的频率色散和角度色散特性。特别地，在后向非镜面方向上出现多处远超0 dB数值，这可能是由于表面结构非均匀性引起的频率谐振特性以及电磁参数的频率色散特性导致的。从图10(b)可以看出，在40～50 GHz频段范围内花岗岩的XPD低于–40 dB，并且随着频率增加至45 GHz，后向散射方向（即0°～90°范围）呈现较大的极化特性，这表明漫散射去极化特性的显著频率依赖性。
上述结果分析了粗糙度、通信频率、接收角度对去极化的影响，为了进一步明确漫散射去极化特性与电波传播系数、入射角之间的依赖关系，固定通信频率为45 GHz，表4给出了3种材料在不同入射角下的电波传播系数(包括透射系数T，反射系数R和漫散射系数S)、平均交叉极化鉴别比(Mean XPD, MXPD)和平均去极化指数M。
表 4 3种材料在不同入射角下的电波传播系数、平均交叉极化鉴别比和平均去极化指数入射角 花岗岩 岩石 地毯 T R S MXPD M (%) T R S MXPD M (%) T R S MXPD M (%) 10° 0.31 0.91 0.28 –13.04 3 0.55 0.65 0.52 –11.73 20 0.63 0.61 0.48 –11.69 30 20° 0.36 0.88 0.31 –12.37 4 0.48 0.68 0.55 –10.92 25 0.72 0.43 0.55 –9.07 38 30° 0.54 0.75 0.38 –12.33 4 0.43 0.71 0.55 –10.80 25 0.70 0.39 0.6 –8.69 39 从表4可以看出，相同入射角时材料表面粗糙度越大，漫散射传播系数和MXPD越大；随着入射角的增大，MXPD, S和M均增大，尤其是相对粗糙的岩石和非常粗糙的地毯增加比较明显，非常粗糙、相对粗糙和光滑材料的去极化转换率分别达39%, 25%和4%，但增加的数值随着入射角增加而变小，这表明电波入射角也会影响漫散射传播特性，影响粗糙材料的去极化特性。
综上所述，毫米波频段漫散射传播及极化特性至关重要，会影响室内毫米波信道传播特性。为了进一步发挥毫米通信在室内场景中应用的大带宽和超高速率优势，需要结合大量典型室内建筑材料漫散射传播测量和极化特性测量数据，认知并掌握漫散射传播特性和极化特性，提升室内毫米波信道模型的准确性。
5. 结束语
本文针对毫米波漫散射传播及极化特性，提出了一种基于有效粗糙度理论的漫散射去极化模型，并对3种不同粗糙度材料进行了实验研究，探究了功率角度谱、去极化指数和XPD特性。一方面，实验结果指出，40～50 GHz频段下，材料表面的粗糙度和电波入射角对漫散射传播产生影响，漫散射传播模型可以有效校准和提升射线追踪仿真的精度。另一方面，通过去极化指数和交叉极化鉴别比的分析，研究发现，粗糙度、入射角和通信频率影响极化特性，造成毫米波信道频率色散和角度色散等特性，非常粗糙、相对粗糙和光滑表面的去极化转化率分别达39%, 25%和4%。本文的研究成果对于深入理解毫米波频段的漫散射传播特性和极化特性具有重要意义。同时，所提出的漫散射去极化模型为B5G毫米波通信系统的设计和优化提供了实用工具，为室内定位和雷达系统等领域提供了有益的参考依据。然而，本文仅针对40～50 GHz频段下3种材质的去极化特性，对室内多种典型建筑材料在不同毫米波和太赫兹频段的去极化特性还需要进一步研究。
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表 1 测量系统参数
测量参数 取值 测量参数 取值 中心频率 45 GHz 天线类型 喇叭天线 频率带宽 10 GHz 天线极化 水平/垂直极化 扫频点数 1001 入射角 10°/20°/30° 频点间隔 10 MHz 接收角度间隔 5° 中频带宽 2 kHz 测量半径 50 cm 信号功率 0 dBm 收发天线高度 60 cm 
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表 2 被测材料的几何尺寸和电磁特性参数
测量材料 参量 花岗岩 岩石 地毯 几何
尺寸长 (cm) 76.8 79.55 147.3 宽 (cm) 42.0 80.95 117.6 高 (cm) 1.52 1.88 1.08 起伏
高度表面高度标准差 ({\mathrm{μ}} {\mathrm{m}}) 0.361 70.48 990.89 电磁特性参数[17] 介电常数 5.37 4.59 2.17 电导率 0.2 0.3 0.08
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表 4 3种材料在不同入射角下的电波传播系数、平均交叉极化鉴别比和平均去极化指数
入射角 花岗岩 岩石 地毯 T R S MXPD M (%) T R S MXPD M (%) T R S MXPD M (%) 10° 0.31 0.91 0.28 –13.04 3 0.55 0.65 0.52 –11.73 20 0.63 0.61 0.48 –11.69 30 20° 0.36 0.88 0.31 –12.37 4 0.48 0.68 0.55 –10.92 25 0.72 0.43 0.55 –9.07 38 30° 0.54 0.75 0.38 –12.33 4 0.43 0.71 0.55 –10.80 25 0.70 0.39 0.6 –8.69 39
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