1、引言

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、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。可以將發(fā)射機及障礙物總效應用概率密度函數(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。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行卷積，通過測量天線發(fā)射出來，進行接收機的性能測試。

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)。

對于復雜的應用場景，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，來說明雷達的復雜應用場景。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。