天線及傳輸信道模型建模的方法及系統(tǒng)仿真案例概述

對于通信或雷達系統(tǒng)，天線都扮演著發(fā)射及接收電磁波的角色。天線性能的好壞，會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。傳統(tǒng)理論和仿真技術(shù)，很少將天線放入通信/雷達系統(tǒng)進行整體考量。天線設(shè)計師重點關(guān)注的是天線的方向性、效率、體積等指標，很少考慮天線和傳輸信道的配合，更難得考慮天線特性會對系統(tǒng)系能造成怎樣的影響。

本文通過研究業(yè)界針對通信終端及雷達系統(tǒng)中天線及傳輸信道模型建模的方法及系統(tǒng)仿真案例，總結(jié)兩個不同的系統(tǒng)中天線模型的差別及仿真的側(cè)重點。

2、通信終端中的天線模型

移動通信信道主要存在以下特點：開放變參信道，容易受到各種干擾影響;接收點地理環(huán)境非常復(fù)雜多樣，如大致可分為城市、近郊及農(nóng)村三類;用戶具有隨機移動性。

由于上述移動通信信道特點，導(dǎo)致電磁波的傳播和自由空間相比，除直射波以外，還存在較多的繞射波及散射波，同時存在不同類型的損耗：路徑傳播損耗、慢衰落損耗及快衰落損耗[1]。為在不同環(huán)境下獲得最佳接收效果，通信終端的天線盡量設(shè)計為全向天線。

2.1 單天線終端天線模型

對于通信系統(tǒng)終端，天線模型通常由其坐標及增益來進行定義;而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數(shù)進行定義。針對不同類型的通信系統(tǒng)，常常將天線和信道模型放在一起，進行綜合考量。

下圖引用了ADS軟件中描述的最常見的天線及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移動天線(AntMobile)之間。移動天線指標僅有增益、位置及高度、速度等信息，天線類型默認為全向天線，對系統(tǒng)性能的貢獻主要是增益及多徑效應(yīng)、多普勒頻移。

圖1、GSM系統(tǒng)天線及信道模型

2.2 MIMO系統(tǒng)中天線模型

在移動通信中，由于多徑衰落、多普勒頻移等因素，導(dǎo)致接收信號質(zhì)量下降。為改善移動接收信號質(zhì)量，使用雙天線分集接收技術(shù)在低成本、低實現(xiàn)難度的前提下明顯改善接收信號質(zhì)量。使用分集天線，就是為接收到兩個以上的不相關(guān)信號，以便在后續(xù)處理中找到強度最大的信號或者進行矢量信號合成。故天線之間的相關(guān)性越低越好。天線工作的電磁環(huán)境各有不同，故在衡量天線的相關(guān)性時必須將無線環(huán)境考慮進去?？梢詫l(fā)射機及障礙物總效應(yīng)用概率密度函數(shù)PDF(probabilitydensity function)來進行描述，其表征了天線從不同方向接收到最強信號的概率分布特征。

除了空間的分集，還存在極化分集情況。使用交叉極化鑒別度XPD(Cross-PolarizaTIonDiscriminaTIon)可以描述空間電波極化情況。XPD越大，則phi方向極化分量越大，反之XPD越小，theta方向極化分量越小。

使用復(fù)相關(guān)性(Complex CorrelaTIon)來描述處于一定電磁化境及極化情況下，兩個天線接收到的相似平均度。

使用一些商業(yè)軟件，如EMPro，能夠針對特定的分集天線模型，設(shè)定PDF、XPD，考慮雙天線分集接收效果[2]。

在無線通信系統(tǒng)仿真軟件中，能夠通過導(dǎo)入發(fā)射、接收天線的三維方向圖以及其相對位置，結(jié)合典型信道模型(如WINNER)，對通信系統(tǒng)的天線及信道進行建模，從而仿真系統(tǒng)指標。如下圖為系統(tǒng)仿真軟件SystemVue中的WINNER II信道模型，其支持導(dǎo)入仿真或測試的多天線方向圖，并能夠設(shè)置發(fā)射、接收天線陣列的二維相對位置。

圖2、WINNER信道MIMO天線模型設(shè)置

通過導(dǎo)入單純的手機遠場方向圖及考慮SAM人頭模型的手機方向圖，創(chuàng)建兩種信道模型，能夠比較理想工作場景及實際工作場景下系統(tǒng)容量[3]。通過這種方式，能夠?qū)⑻炀€真實方向圖及天線布局融入到信道模型中，獲取天線性能對系統(tǒng)指標的影響。

天線及信道模型不僅能夠應(yīng)用在仿真軟件中，還能作為必要測試條件，參與到標準測試中。典型案例是是德科技的輻射兩步法(RTS)。

輻射兩步法是把MIMO OTA 的測試分成兩步：第一階段先在暗室對終端進行方向圖測量，利用終端的上報功能測出待測件的輻射方向圖;第二階段把在第一階段中測到的方向圖信息加載到信道仿真器中，模擬出包含了待測件天線特性的無線信道?；灸M器輸出的下行信號先和加載了待測件方向圖信息

圖3、輻射兩步法測試示意

的無線信道進行卷積，通過測量天線發(fā)射出來，進行接收機的性能測試。

輻射兩步法的測量結(jié)果和已經(jīng)成為CTIA MIMO OTA測量標準的多探頭方法(MPAC)測量結(jié)果的一致性已被3GPP 認可。在2017年5月份結(jié)束的3GPP RAN4 會議上有正式批準的結(jié)論[4]。

3、雷達系統(tǒng)中的天線模型

和移動終端的全向天線不同，雷達系統(tǒng)的天線波束寬度一般為幾度至十幾度。雷達系統(tǒng)工作在搜索、跟蹤兩種模式時，需要對波束方向進行精確建模[5]。

傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中，主要側(cè)重于對雷達系統(tǒng)進行信號流級的仿真，即考慮信號傳輸路徑及信號處理結(jié)果，并不考慮天線的方向圖及指向性對雷達系統(tǒng)的影響。如VSS中，考慮目標的距離及速度，將收發(fā)天線簡化為增益模型，僅影響接收機獲得的信號電平。在這種系統(tǒng)仿真架構(gòu)下，天線僅有部分指標(如反射系數(shù)、阻抗等)能夠和級聯(lián)的射頻系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)。

對于復(fù)雜的應(yīng)用場景，需要考慮動平臺(如艦船、飛行器或戰(zhàn)車)及天線的位置信息。系統(tǒng)仿真軟件SystemVue提供了一個層次化的設(shè)計解決方案，即除了信號層面的分析以外，還可將相控陣雷達系統(tǒng)所處的動平臺的位置(如地心慣性坐標系)和速度信息、天線的位置信息等納入一并進行分析。這個平臺中，可以進行多目標、多站雷達的設(shè)定，也能夠進行多天線設(shè)定。

圖4、雷達系統(tǒng)三層仿真設(shè)置示意

在信號層中，設(shè)置天線的工作模式(搜索或者跟蹤)、天線方向圖等基本指標;在天線層中，設(shè)置雷達目標位置，以及雷達平臺的側(cè)傾角、俯仰角、偏航角，天線在雷達平臺中側(cè)傾角、俯仰角、偏航角;在軌跡層中，分別設(shè)置雷達收發(fā)平臺及目標的位置(經(jīng)度、維度、高度)、指向、速度、加速度、運動軌跡等信息。通過在不同坐標系下進行轉(zhuǎn)換，將天線的方向圖及雷達平臺、目標的運動軌跡等信息進行綜合考慮。

可以以EW接收機測試的示例，來說明雷達的復(fù)雜應(yīng)用場景。在場景中，EW接收機(EW Rx)用于監(jiān)視空間中的四個雷達站。EW接收機的任務(wù)是檢測所有這些信號、識別每個信號，并對每個雷達站的位置、速度、時間波形和頻率內(nèi)容進行整理。

圖5、EW接收機測試場景

為了測試EW接收機，必須產(chǎn)生測試信號，這并不意味著簡單的將多個時間波形進行疊加。由于EW接收機可能安裝在飛機、汽車或軍艦上，用于生成該測試信號的工具必須允許用戶指定EW Rx站的位置、速度、運動軌跡等。此外，對于每個雷達站，工具必須允許用戶指定其位置、速度、時間波形、頻率、天線工作模式等[6]。

如果需要對環(huán)境進行精確建模，信號層仿真軟件Simulink、SystemVue等就不能勝任了。使用專業(yè)的場景仿真軟件，如STK等，對目標姿態(tài)、環(huán)境進行建模，能夠獲得較為真實的目標特性。

如圖6中，使用SystemVue產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖信號源，并經(jīng)過射頻發(fā)射路徑加入射頻器件的非線性、噪聲等因素，時域信號通過接口進入STK軟件。STK中預(yù)先定義外場地形地貌以及飛機運動軌跡、飛行姿態(tài)等指標。雷達處于跟蹤模式，盡量將波束照射到飛機上，而飛機則做出各種機動動作來規(guī)避雷達探測。整個場景的時域信號會返回到SystemVue軟件中，通過后處理程序來獲得雷達的檢測概率。

圖6、STK聯(lián)合仿真示意圖

4、結(jié)論

可見，在通信或雷達系統(tǒng)中，天線都不再以獨立的姿態(tài)出現(xiàn)，而和通信信道、雷達使用場景等緊密結(jié)合，共同作用。天線設(shè)計師及通信/雷達系統(tǒng)設(shè)計師如果能夠利用已有商業(yè)軟件及成熟理論，將天線的特性融入到系統(tǒng)設(shè)計中，能夠大幅度降低聯(lián)調(diào)風險，加快產(chǎn)品設(shè)計速度。