天线及传输信道模型建模的方法及系统仿真案例概述
对于通信或雷达系统，天线都扮演着发射及接收电磁波的角色。天线性能的好坏，会对系统性能产生很大影响。传统理论和仿真技术，很少将天线放入通信/雷达系统进行整体考量。天线设计师重点关注的是天线的方向性、效率、体积等指标，很少考虑天线和传输信道的配合，更难得考虑天线特性会对系统系能造成怎样的影响。
本文通过研究业界针对通信终端及雷达系统中天线及传输信道模型建模的方法及系统仿真案例，总结两个不同的系统中天线模型的差别及仿真的侧重点。
1、通信终端中的天线模型
移动通信信道主要存在以下特点：开放变参信道，容易受到各种干扰影响;接收点地理环境非常复杂多样，如大致可分为城市、近郊及农村三类;用户具有随机移动性。
由于上述移动通信信道特点，导致电磁波的传播和自由空间相比，除直射波以外，还存在较多的绕射波及散射波，同时存在不同类型的损耗：路径传播损耗、慢衰落损耗及快衰落损耗[1]。为在不同环境下获得最佳接收效果，通信终端的天线尽量设计为全向天线。
1.1 单天线终端天线模型
对于通信系统终端，天线模型通常由其坐标及增益来进行定义;而信道模型则由噪声、衰落、多径等参数进行定义。针对不同类型的通信系统，常常将天线和信道模型放在一起，进行综合考量。
下图引用了ADS软件中描述的最常见的天线及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移动天线(AntMobile)之间。移动天线指标仅有增益、位置及高度、速度等信息，天线类型默认为全向天线，对系统性能的贡献主要是增益及多径效应、多普勒频移。
图1、GSM系统天线及信道模型
1.2 MIMO系统中天线模型
在移动通信中，由于多径衰落、多普勒频移等因素，导致接收信号质量下降。为改善移动接收信号质量，使用双天线分集接收技术在低成本、低实现难度的前提下明显改善接收信号质量。使用分集天线，就是为接收到两个以上的不相关信号，以便在后续处理中找到强度最大的信号或者进行矢量信号合成。故天线之间的相关性越低越好。天线工作的电磁环境各有不同，故在衡量天线的相关性时必须将无线环境考虑进去。可以将发射机及障碍物总效应用概率密度函数PDF(probabilitydensity function)来进行描述，其表征了天线从不同方向接收到最强信号的概率分布特征。
除了空间的分集，还存在极化分集情况。使用交叉极化鉴别度XPD(Cross-PolarizaTIonDiscriminaTIon)可以描述空间电波极化情况。XPD越大，则phi方向极化分量越大，反之XPD越小，theta方向极化分量越小。
使用复相关性(Complex CorrelaTIon)来描述处于一定电磁化境及极化情况下，两个天线接收到的相似平均度。
使用一些商业软件，如EMPro，能够针对特定的分集天线模型，设定PDF、XPD，考虑双天线分集接收效果[2]。
在无线通信系统仿真软件中，能够通过导入发射、接收天线的三维方向图以及其相对位置，结合典型信道模型(如WINNER)，对通信系统的天线及信道进行建模，从而仿真系统指标。如下图为系统仿真软件SystemVue中的WINNER II信道模型，其支持导入仿真或测试的多天线方向图，并能够设置发射、接收天线阵列的二维相对位置。
图2、WINNER信道MIMO天线模型设置
通过导入单纯的手机远场方向图及考虑SAM人头模型的手机方向图，创建两种信道模型，能够比较理想工作场景及实际工作场景下系统容量[3]。通过这种方式，能够将天线真实方向图及天线布局融入到信道模型中，获取天线性能对系统指标的影响。
天线及信道模型不仅能够应用在仿真软件中，还能作为必要测试条件，参与到标准测试中。典型案例是是德科技的辐射两步法(RTS)。
辐射两步法是把MIMO OTA 的测试分成两步：第一阶段先在暗室对终端进行方向图测量，利用终端的上报功能测出待测件的辐射方向图;第二阶段把在第一阶段中测到的方向图信息加载到信道仿真器中，模拟出包含了待测件天线特性的无线信道。基站模拟器输出的下行信号先和加载了待测件方向图信息
图3、辐射两步法测试示意
的无线信道进行卷积，通过测量天线发射出来，进行接收机的性能测试。
辐射两步法的测量结果和已经成为CTIA MIMO OTA测量标准的多探头方法(MPAC)测量结果的一致性已被3GPP 认可。在2017年5月份结束的3GPP RAN4 会议上有正式批准的结论[4]。
2、雷达系统中的天线模型
和移动终端的全向天线不同，雷达系统的天线波束宽度一般为几度至十几度。雷达系统工作在搜索、跟踪两种模式时，需要对波束方向进行精确建模[5]。
传统仿真系统中，主要侧重于对雷达系统进行信号流级的仿真，即考虑信号传输路径及信号处理结果，并不考虑天线的方向图及指向性对雷达系统的影响。如VSS中，考虑目标的距离及速度，将收发天线简化为增益模型，仅影响接收机获得的信号电平。在这种系统仿真架构下，天线仅有部分指标(如反射系数、阻抗等)能够和级联的射频系统发生关联。
对于复杂的应用场景，需要考虑动平台(如舰船、飞行器或战车)及天线的位置信息。系统仿真软件SystemVue提供了一个层次化的设计解决方案，即除了信号层面的分析以外，还可将相控阵雷达系统所处的动平台的位置(如地心惯性坐标系)和速度信息、天线的位置信息等纳入一并进行分析。这个平台中，可以进行多目标、多站雷达的设定，也能够进行多天线设定。
图4、雷达系统三层仿真设置示意
在信号层中，设置天线的工作模式(搜索或者跟踪)、天线方向图等基本指标;在天线层中，设置雷达目标位置，以及雷达平台的侧倾角、俯仰角、偏航角，天线在雷达平台中侧倾角、俯仰角、偏航角;在轨迹层中，分别设置雷达收发平台及目标的位置(经度、维度、高度)、指向、速度、加速度、运动轨迹等信息。通过在不同坐标系下进行转换，将天线的方向图及雷达平台、目标的运动轨迹等信息进行综合考虑。
可以以EW接收机测试的示例，来说明雷达的复杂应用场景。在场景中，EW接收机(EW Rx)用于监视空间中的四个雷达站。EW接收机的任务是检测所有这些信号、识别每个信号，并对每个雷达站的位置、速度、时间波形和频率内容进行整理。
图5、EW接收机测试场景
为了测试EW接收机，必须产生测试信号，这并不意味着简单的将多个时间波形进行叠加。由于EW接收机可能安装在飞机、汽车或军舰上，用于生成该测试信号的工具必须允许用户指定EW Rx站的位置、速度、运动轨迹等。此外，对于每个雷达站，工具必须允许用户指定其位置、速度、时间波形、频率、天线工作模式等[6]。
如果需要对环境进行精确建模，信号层仿真软件Simulink、SystemVue等就不能胜任了。使用专业的场景仿真软件，如STK等，对目标姿态、环境进行建模，能够获得较为真实的目标特性。
如图6中，使用SystemVue产生线性调频脉冲信号源，并经过射频发射路径加入射频器件的非线性、噪声等因素，时域信号通过接口进入STK软件。STK中预先定义外场地形地貌以及飞机运动轨迹、飞行姿态等指标。雷达处于跟踪模式，尽量将波束照射到飞机上，而飞机则做出各种机动动作来规避雷达探测。整个场景的时域信号会返回到SystemVue软件中，通过后处理程序来获得雷达的检测概率。
图6、STK联合仿真示意图
3、结论
可见，在通信或雷达系统中，天线都不再以独立的姿态出现，而和通信信道、雷达使用场景等紧密结合，共同作用。天线设计师及通信/雷达系统设计师如果能够利用已有商业软件及成熟理论，将天线的特性融入到系统设计中，能够大幅度降低联调风险，加快产品设计速度。
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