姓名：16020140096劉珣玥
轉(zhuǎn)載自：http://mp.weixin.qq.com/s/osZKdoc1xDd04YSuW2MosQ
有刪節(jié)。
【嵌牛導(dǎo)讀】：在通信系統(tǒng)或雷達(dá)系統(tǒng)中，天線模型需要和通信信道或雷達(dá)使用場景等緊密結(jié)合，共同作用。
【嵌牛鼻子】：本文通過對通信及雷達(dá)系統(tǒng)仿真進(jìn)行研究，比較兩類系統(tǒng)中的天線模型，歸納目前通信終端及雷達(dá)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中對天線性能進(jìn)行考量的幾種方法。
【嵌牛提問】：
進(jìn)行考量有哪些方法
【嵌牛正文】：
Research on Antenna Model in CommunicationTerminal
and Radar System
XIE Chengcheng, XU Yue
( KeysightTechnologies, EEsof EDA)
Abstract:In a communication system orin a radar system, the antenna model needs to be combined with communicationchannels or radar use scenes. In this paper, through the simulation ofcommunication and radar system, the antenna model in the two types of systemsis compared and the methods of considering the performance of the antenna inthe current communication terminal and radar system simulation design aresummarized.
Keywords:Antenna Model; System Simulations
1? 引言
對于通信或雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)進(jìn)行整體考量。天線設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的是天線的方向性、效率、體積等指標(biāo)，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(dá)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(diǎn)。
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(diǎn)：開放變參信道，容易受到各種干擾影響；接收點(diǎn)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(jī)移動性。
由于上述移動通信信道特點(diǎn)，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(shí)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(jì)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(biāo)及增益來進(jìn)行定義；而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(biāo)僅有增益、位置及高度、速度等信息，天線類型默認(rèn)為全向天線，對系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)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(shí)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(qiáng)度最大的信號或者進(jìn)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(shí)必須將無線環(huán)境考慮進(jìn)去。可以將發(fā)射機(jī)及障礙物總效應(yīng)用概率密度函數(shù)PDF（probabilitydensity function）來進(jìn)行描述，其表征了天線從不同方向接收到最強(qiáng)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(jìn)行建模，從而仿真系統(tǒng)指標(biāo)。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(jī)遠(yuǎn)場方向圖及考慮SAM人頭模型的手機(jī)方向圖，創(chuàng)建兩種信道模型，能夠比較理想工作場景及實(shí)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(shí)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行方向圖測量，利用終端的上報(bào)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。基站模擬器輸出的下行信號先和加載了待測件方向圖信息的無線信道進(jìn)行卷積，通過測量天線發(fā)射出來，進(jìn)行接收機(jī)的性能測試。
圖 3 輻射兩步法測試示意
輻射兩步法的測量結(jié)果和已經(jīng)成為CTIA MIMO OTA測量標(biāo)準(zhǔn)的多探頭方法（MPAC）測量結(jié)果的一致性已被 3GPP 認(rèn)可。在2017年5月份結(jié)束的3GPP RAN4 會議上有正式批準(zhǔn)的結(jié)論[4]。
3? 雷達(dá)系統(tǒng)中的天線模型
和移動終端的全向天線不同，雷達(dá)系統(tǒng)的天線波束寬度一般為幾度至十幾度。雷達(dá)系統(tǒng)工作在搜索、跟蹤兩種模式時(shí)，需要對波束方向進(jìn)行精確建模[5]。
傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中，主要側(cè)重于對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)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(dá)系統(tǒng)的影響。如VSS中，考慮目標(biāo)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(jī)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(biāo)（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(jì)解決方案，即除了信號層面的分析以外，還可將相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)所處的動平臺的位置（如地心慣性坐標(biāo)系）和速度信息、天線的位置信息等納入一并進(jìn)行分析。這個平臺中，可以進(jìn)行多目標(biāo)、多站雷達(dá)的設(shè)定，也能夠進(jìn)行多天線設(shè)定。
圖 4? 雷達(dá)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(biāo)；在天線層中，設(shè)置雷達(dá)目標(biāo)位置，以及雷達(dá)平臺的側(cè)傾角、俯仰角、偏航角，天線在雷達(dá)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(dá)收發(fā)平臺及目標(biāo)的位置（經(jīng)度、維度、高度）、指向、速度、加速度、運(yùn)動軌跡等信息。通過在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將天線的方向圖及雷達(dá)平臺、目標(biāo)的運(yùn)動軌跡等信息進(jìn)行綜合考慮。
可以以EW接收機(jī)測試的示例，來說明雷達(dá)的復(fù)雜應(yīng)用場景。在場景中，EW接收機(jī)（EW Rx）用于監(jiān)視空間中的四個雷達(dá)站。EW接收機(jī)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(dá)站的位置、速度、時(shí)間波形和頻率內(nèi)容進(jìn)行整理。
圖 5? EW接收機(jī)測試場景
為了測試EW接收機(jī)，必須產(chǎn)生測試信號，這并不意味著簡單的將多個時(shí)間波形進(jìn)行疊加。由于EW接收機(jī)可能安裝在飛機(jī)、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(yùn)動軌跡等。此外，對于每個雷達(dá)站，工具必須允許用戶指定其位置、速度、時(shí)間波形、頻率、天線工作模式等[6]。
如果需要對環(huán)境進(jìn)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(biāo)姿態(tài)、環(huán)境進(jìn)行建模，能夠獲得較為真實(shí)的目標(biāo)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(shí)域信號通過接口進(jìn)入STK軟件。STK中預(yù)先定義外場地形地貌以及飛機(jī)運(yùn)動軌跡、飛行姿態(tài)等指標(biāo)。雷達(dá)處于跟蹤模式，盡量將波束照射到飛機(jī)上，而飛機(jī)則做出各種機(jī)動動作來規(guī)避雷達(dá)探測。整個場景的時(shí)域信號會返回到SystemVue軟件中，通過后處理程序來獲得雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)中，天線都不再以獨(dú)立的姿態(tài)出現(xiàn)，而和通信信道、雷達(dá)使用場景等緊密結(jié)合，共同作用。天線設(shè)計(jì)師及通信/雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)中，能夠大幅度降低聯(lián)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度。
參考文獻(xiàn)
1? ? ? ? 蘇華鴻. 蜂窩移動通信射頻工程[M]. 人民郵電出版社, 2007. 42-43
2? ? ? ? 謝成誠, 張濤. 基于EMPro分集天線相關(guān)性研究[C]// 全國天線年會. 2009.
3? ? ? ? Agilent Technologies. Accounting forAntenna and MIMO Channel Effects Using Agilent SystemVue. 5990-6535EN, 2010.
4? ? ? ? 微波射頻網(wǎng)mp. 深入淺出輻射兩步法（RTS）.http://www.sohu.com/a/151347077_472928.2017
5? ? ? ? 張明友, 汪學(xué)剛. 雷達(dá)系統(tǒng)[M]. 電子工業(yè)出版社, 2013. 7
6? ? ? ? Keysight Technologies, GeneratingMulti -Dimensional Signals to Test Radar/EW Systems, 5992-0268EN, 2014.3
