通信终端及雷达系统建模方法及系统仿真案例

作者    谢成诚   许玥

( 单位  是德科技 EEsof EDA )

cheng-cheng_xie@keysight.com; yue.xu@keysight.com

摘  要 在通信系统或雷达系统中，天线模型需要和通信信道或雷达使用场景等紧密结合，共同作用。本文通过对通信及雷达系统仿真进行研究，比较两类系统中的天线模型，归纳目前通信终端及雷达系统仿真设计中对天线性能进行考量的几种方法。

关键词 天线模型，系统仿真

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

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。

2  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。

2.1  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

2.2  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