Visión general de los métodos de modelado de modelos de antena y canal de transmisión y de casos de simulación de sistemas

　　Para sistemas de comunicación o radar, las antenas desempeñan la función de transmitir y recibir ondas electromagnéticas. La calidad de la antena afecta enormemente al rendimiento del sistema. Las técnicas tradicionales de teoría y simulación rara vez incluyen antenas en sistemas de comunicación/radar para su consideración global. Los diseñadores de antenas se centran en indicadores como la direccionalidad, eficiencia y volumen de la antena, rara vez considerando la coordinación entre la antena y el canal de transmisión, y aún menos cómo las características de la antena pueden afectar al sistema.

　　Este artículo resume las diferencias entre modelos de antena en dos sistemas distintos y el enfoque de la simulación estudiando métodos industriales para modelar modelos de antenas y canales de transmisión en terminales de comunicación y sistemas de radar, así como casos de simulación de sistemas.

　　1. Modelo de antena en terminales de comunicación

　　Los canales de comunicación móvil tienen principalmente las siguientes características: canales abiertos de parámetros variables, lo que los hace fácilmente afectados por diversas interferencias; El entorno geográfico de los puntos receptores es muy complejo y diverso, dividido aproximadamente en tres categorías: urbano, suburbano y rural; Los usuarios tienen movilidad aleatoria.

　　Debido a las características anteriores de los canales de comunicación móviles, en comparación con el espacio libre, la propagación de ondas electromagnéticas implica más ondas de difracción y dispersión además de las ondas directas, junto con diferentes tipos de pérdida: pérdida por propagación de trayectoria, pérdida por desvanecimiento lento y pérdida por desvanecimiento rápido [1]. Para lograr una recepción óptima en diferentes entornos, las antenas terminales de comunicación se diseñan lo más omnidireccionales posible.

　　1.1 Modelo de antena terminal de antena única

　　Para terminales de sistemas de comunicación, el modelo de antena suele definirse por sus coordenadas y ganancia; El modelo de canal se define por parámetros como el ruido, el desvanecimiento y el multipath. Para diferentes tipos de sistemas de comunicación, los modelos de antena y canal suelen combinarse para una consideración integral.

　　El diagrama siguiente hace referencia a los patrones de uso de antenas y canales más comunes descritos en el software ADS. El canal (PropGSM) se encuentra entre la estación base (AntBase) y la antena móvil (AntMobile). Los indicadores de antena móvil solo incluyen ganancia, posición y altura, velocidad, etc. El tipo de antena por defecto es omnidireccional, y los principales factores que contribuyen al rendimiento del sistema son la ganancia, los efectos de múltiples trayectos y el desplazamiento Doppler.

　　Figura 1: Modelo de antena y canal del sistema GSM

　　1.2 Modelos de antena en sistemas MIMO

　　En las comunicaciones móviles, factores como el desvanecimiento multipath y los desplazamientos de frecuencia Doppler provocan un descenso en la calidad de la señal recibida. Para mejorar la calidad de la señal móvil, la tecnología de recepción de diversidad de doble antena mejora significativamente la calidad de la señal a bajo coste y con poca dificultad de implementación. El uso de una antena de diversidad consiste en recibir dos o más señales no correlacionadas, de modo que la señal con mayor intensidad pueda encontrarse durante el procesamiento posterior o la síntesis vectorial de señales. Por lo tanto, cuanto menor sea la correlación entre antenas, mejor. Dado que los entornos electromagnéticos en los que operan las antenas difieren, los entornos inalámbricos deben considerarse al evaluar la correlación de antenas. El efecto total de los transmisores y obstáculos puede describirse usando la función de densidad de probabilidad PDF (PDF), que caracteriza las características de distribución de probabilidad de las antenas que reciben las señales más fuertes desde diferentes direcciones.

　　Además de la diversidad espacial, también existe diversidad de polarización. Utilizando la Discriminación de Polarización Cruzada (XPD) para describir la polarización de las ondas de radio espaciales. Cuanto mayor es el XPD, mayor es el componente de polarización en la dirección phi; por el contrario, cuanto menor es el XPD, menor es el componente de polarización en la dirección theta.

　　El Correlato Complejo se utiliza para describir el promedio de similitud recibido por dos antenas bajo ciertas condiciones electromagnetizadas y polarizadas.

　　Utilizando algún software comercial, como EMPro, es posible configurar PDF y XPD para modelos específicos de antena de diversidad, considerando el efecto de recepción de diversidad de doble antena [2].

　　En el software de simulación de sistemas de comunicación inalámbrica, es posible modelar las antenas y canales del sistema de comunicación importando mapas de patrones 3D de antenas transmisoras y receptoras y sus posiciones relativas, combinados con modelos típicos de canales (como WINNER), simulando así las especificaciones del sistema. La figura siguiente muestra el modelo de canales WINNER II en el software de simulación de sistemas SystemVue, que permite importar múltiples patrones de radiación de antena para simulación o prueba y puede establecer las posiciones relativas bidimensionales de las antenas transmisoras y receptoras.

　　Figura 2. Configuración del modelo de antena MIMO del canal WINNER

　　Al importar patrones de radiación telefónica de campo lejano puros y mapas de navegación de teléfonos considerando modelos de cabeza humana de SAM, se crean dos modelos de canales, permitiendo comparar la capacidad del sistema entre escenarios ideales y reales de funcionamiento [3]. De este modo, el patrón real de antena y su disposición pueden integrarse en el modelo de canal, permitiendo que el rendimiento de la antena afecte a las métricas del sistema.

　　Los modelos de antena y canal no solo pueden aplicarse en el software de simulación, sino que también sirven como condiciones de prueba necesarias para participar en pruebas estándar. Un caso típico es el Método de Radiación en Dos Pasos (RTS) de Keysight.

　　El método de radiación de dos pasos divide las pruebas OTA MIMO en dos pasos: la primera etapa consiste en medir el patrón de radiación terminal en una cámara oscura y utilizar la función de informe del terminal para obtener el patrón de radiación del DUT; En la segunda etapa, la información del patrón de radiación medida en la primera se carga en el simulador de canales, simulando un canal inalámbrico que incluye las características de la antena del objeto en prueba. La señal de enlace descendente emitida desde el simulador de la estación base carga primero la información del mapa de dirección del DUT

　　Figura 3: Diagrama del método de prueba de radiación en dos pasos

　　El canal inalámbrico es complejo y se transmite mediante la antena de medición para realizar pruebas de rendimiento del receptor.

　　La consistencia entre el método de radiación en dos pasos y las mediciones del método multisonda (MPAC), que se ha convertido en el estándar OTA de la CIA MIMO, ha sido reconocida por 3GPP. Se aprobó una conclusión formal en la reunión de la 3GPP RAN4 concluida en mayo de 2017[4].

　　2, modelos de antena en sistemas de radar

　　A diferencia de las antenas omnidireccionales en terminales móviles, los sistemas de radar suelen tener anchos de haz de antena que van desde varios hasta más de diez grados. Los sistemas de radar funcionan tanto en modo de búsqueda como de seguimiento, requiriendo un modelado preciso de la dirección del haz [5].

　　Los sistemas tradicionales de simulación se centran principalmente en simular el nivel de flujo de señal del sistema de radar, considerando la trayectoria de transmisión de la señal y los resultados del procesamiento de la señal, sin considerar la influencia de los patrones de patrón de antena y la directividad en el sistema de radar. Por ejemplo, en VSS, considerando la distancia y velocidad del objetivo, la antena del transceptor se simplifica a un modelo de ganancia, que solo afecta al nivel de señal recibido por el receptor. Bajo esta arquitectura de simulación del sistema, solo algunos parámetros de la antena (como el coeficiente de reflexión, la impedancia, etc.) pueden asociarse con el sistema de RF en cascada.

　　Para escenarios de aplicación complejos, es necesario considerar la información de posición de la plataforma dinámica (como buques, aeronaves o vehículos de combate) y las antenas. El software de simulación de sistemas SystemVue ofrece una solución de diseño jerárquica que, además del análisis de señales, también puede incorporar la posición de la plataforma móvil (como el sistema de coordenadas inerciales geocéntricas), información de velocidad y la posición de la antena del sistema de radar de matriz en fase para su análisis. Esta plataforma puede configurar radares multiobjetivo y multiestacional, así como configuraciones multiantena.

　　Figura 4. Esquema de la configuración de simulación de tres capas para sistemas de radar

　　En la capa de señal, se establece el modo de funcionamiento de la antena (búsqueda o seguimiento), el patrón de radiación de la antena y otros indicadores básicos; En la capa de antena, se establece la posición del objetivo del radar, así como el ángulo de inclinación, el ángulo de cabeceo y el ángulo de guiñada de la plataforma radar. Se fijan los ángulos de inclinación, cabeceo y guiñada de la antena dentro de la plataforma radar; En la capa de trayectoria, información como la posición (longitud, dimensión, altitud), dirección, velocidad, aceleración y trayectoria de movimiento de la plataforma transceptora de radar y el objetivo se establece por separado. Al convertir bajo diferentes sistemas de coordenadas, se considera de forma exhaustiva el patrón de radiación de la antena, la plataforma de radar y la información de la trayectoria del movimiento del objetivo.

　　El ejemplo de las pruebas de receptores de guerra electrónica puede utilizarse para ilustrar los complejos escenarios de aplicación del radar. En la escena, el receptor de guerra electrónica (EW Rx) se utiliza para monitorizar cuatro estaciones de radar en el espacio. La tarea del receptor de guerra electrónica es detectar todas estas señales, identificar cada señal y organizar la posición, velocidad, forma de onda temporal y contenido de frecuencia de cada estación de radar.

　　Figura 5: Escenario de prueba con receptor de guerra electrónica

　　Para probar un receptor EW, debe generarse una señal de prueba, lo que no significa simplemente superponer múltiples formas de onda temporales. Dado que los receptores de guerra electrónica pueden instalarse en aviones, coches o buques de guerra, las herramientas utilizadas para generar estas señales de prueba deben permitir a los usuarios especificar la ubicación, velocidad, trayectoria de movimiento y otros detalles de la estación de guerra electrónica (EW Rx). Además, para cada estación de radar, la herramienta debe permitir a los usuarios especificar su posición, velocidad, forma de onda temporal, frecuencia, modo de funcionamiento de la antena, etc. [6].

　　Si se requiere un modelado ambiental preciso, los programas de simulación de capas de señal como Simulink y SystemVue no pueden manejar esto. El uso de software profesional de simulación de escenarios como STK para modelar posturas y entornos de objetivos puede lograr características más realistas.

　　Como se muestra en la Figura 6, SystemVue se utiliza para generar una fuente lineal de señal de pulsos FM, y factores como la no linealidad y el ruido de los dispositivos RF se suman a través del camino de transmisión RF. La señal en el dominio del tiempo entra en el software STK a través de la interfaz. STK predefine el terreno exterior y las formas de terreno, así como indicadores como las trayectorias de movimiento de las aeronaves y las actitudes de vuelo. El radar está en modo de seguimiento, apuntando a iluminar la aeronave con haces tanto como sea posible, mientras el avión realiza diversas maniobras para evadir la detección por radar. Las señales en el dominio del tiempo para toda la escena se devuelven al software SystemVue, donde la probabilidad de detección del radar se obtiene mediante programas de postprocesado.

　　Figura 6: Diagrama esquemático de la simulación de la junta STK

　　3, Conclusión

　　Es evidente que en los sistemas de comunicación o radar, las antenas ya no aparecen aisladas, sino que están estrechamente integradas con los canales de comunicación y los escenarios de uso del radar, trabajando conjuntamente. Si los diseñadores de antenas y los de sistemas de comunicación/radar pueden aprovechar el software comercial existente y teorías maduras para integrar las características de las antenas en el diseño del sistema, pueden reducir significativamente el riesgo de depuración conjunta y acelerar el diseño del producto.