Aperçu des méthodes de modélisation des modèles d’antennes et de canaux de transmission ainsi que des cas de simulation système

　　Pour les systèmes de communication ou radar, les antennes jouent le rôle de transmission et de réception des ondes électromagnétiques. La qualité de l’antenne influence grandement les performances du système. Les techniques traditionnelles de théorie et de simulation incluent rarement des antennes dans les systèmes de communication ou radar pour une considération globale. Les concepteurs d’antennes se concentrent sur des indicateurs tels que la directionnalité, l’efficacité et le volume de l’antenne, prenant rarement en compte la coordination entre l’antenne et le canal de transmission, et encore moins sur la manière dont les caractéristiques de l’antenne peuvent affecter le système.

　　Cet article résume les différences entre les modèles d’antennes dans deux systèmes différents et l’orientation de la simulation en étudiant les méthodes industrielles pour modéliser les modèles d’antennes et de canaux de transmission dans les terminaux de communication et les systèmes radar, ainsi que les cas de simulation de systèmes.

　　1. Modèle d’antenne dans les terminaux de communication

　　Les canaux de communication mobile présentent principalement les caractéristiques suivantes : canaux ouverts à paramètres variables, les rendant facilement affectés par diverses interférences ; L’environnement géographique des points de réception est très complexe et diversifié, divisé en trois catégories : urbain, suburbain et rural ; Les utilisateurs ont une mobilité aléatoire.

　　En raison des caractéristiques ci-dessus des canaux de communication mobiles, comparée à l’espace libre, la propagation des ondes électromagnétiques implique plus d’ondes de diffraction et de diffusion en plus des ondes directes, ainsi que différents types de pertes : perte de propagation de chemin, perte par fading lent et perte par fading rapide [1]. Pour obtenir une réception optimale dans différents environnements, les antennes de terminaux de communication sont conçues aussi omnidirectionnelles que possible.

　　1.1 Modèle d’antenne à terminal à antenne unique

　　Pour les terminaux des systèmes de communication, le modèle d’antenne est généralement défini par ses coordonnées et son gain ; Le modèle de canal est défini par des paramètres tels que le bruit, l’atténuation et le multipath. Pour différents types de systèmes de communication, les modèles d’antenne et de canal sont souvent combinés pour une considération globale.

　　Le schéma ci-dessous fait référence aux schémas d’utilisation les plus courants des antennes et des canaux décrits dans les logiciels ADS. Le canal (PropGSM) est situé entre la station de base (AntBase) et l’antenne mobile (AntMobile). Les indicateurs d’antenne mobile incluent uniquement le gain, la position et la hauteur, la vitesse, etc. Le type d’antenne par défaut est omnidirectionnel, et les principaux facteurs contributeurs à la performance du système sont le gain, les effets multitrajets et le décalage Doppler.

　　Figure 1 : Modèle d’antenne et de canal du système GSM

　　1.2 Modèles d’antennes dans les systèmes MIMO

　　Dans les communications mobiles, des facteurs tels que l’estompage multipath et les décalages Doppler de fréquence entraînent une baisse de la qualité du signal reçu. Pour améliorer la qualité du signal mobile, la technologie de réception à double antenne améliore considérablement la qualité du signal à faible coût et avec peu de difficulté à mettre en œuvre. L’utilisation d’une antenne de diversité consiste à recevoir deux signaux ou plus non corrélés, de sorte que le signal le plus fort puisse être trouvé lors du traitement ultérieur ou de la synthèse vectorielle du signal. Ainsi, plus la corrélation entre antennes est faible, mieux c’est. Puisque les environnements électromagnétiques dans lesquels les antennes opèrent diffèrent, les environnements sans fil doivent être pris en compte lors de l’évaluation de la corrélation des antennes. L’effet total des émetteurs et des obstacles peut être décrit à l’aide de la fonction de densité de probabilité PDF (PDF), qui caractérise les caractéristiques de distribution de probabilité des antennes recevant les signaux les plus forts venant de différentes directions.

　　En plus de la diversité spatiale, la diversité de la polarisation existe également. Utiliser la discrimination de polarisation croisée (XPD) pour décrire la polarisation des ondes radio spatiales. Plus le XPD est grand, plus la composante de polarisation dans la direction phi est importante ; inversement, plus la XPD est petite, plus la composante de polarisation dans la direction thêta est petite.

　　Le Corrélation complexe est utilisé pour décrire la moyenne de similarité reçue par deux antennes sous certaines conditions électromagnétisées et polarisées.

　　En utilisant certains logiciels commerciaux, tels que EMPro, il est possible de définir PDF et XPD pour des modèles spécifiques d’antennes de diversité, en tenant compte de l’effet de réception de la double antenne [2].

　　Dans les logiciels de simulation des systèmes de communication sans fil, il est possible de modéliser les antennes et les canaux du système de communication en important des cartes de motifs 3D des antennes émettrices et réceptrices ainsi que leurs positions relatives, combinées à des modèles de canaux typiques (tels que WINNER), simulant ainsi les spécifications du système. La figure ci-dessous montre le modèle de canal WINNER II dans le logiciel de simulation système SystemVue, qui permet d’importer plusieurs diagrammes de rayonnement d’antennes pour simulation ou test et peut définir les positions relatives bidimensionnelles des réseaux d’antennes émettrices et réceptrices.

　　Figure 2. Configuration du modèle d’antenne MIMO du canal WINNER

　　En important des diagrammes de rayonnement téléphoniques purement lointains et des cartes de navigation téléphoniques en tenant compte des modèles de tête humaine SAM, deux modèles de canaux sont créés, permettant de comparer la capacité du système entre scénarios idéaux et réels de fonctionnement [3]. De cette manière, le véritable motif et la disposition de l’antenne peuvent être intégrés au modèle de canal, permettant à la performance de l’antenne d’influencer les métriques du système.

　　Les modèles d’antennes et de canaux peuvent non seulement être appliqués dans les logiciels de simulation, mais servent aussi de conditions de test nécessaires pour participer aux tests standards. Un cas typique est la méthode de radiation en deux étapes (RTS) de Keysight.

　　La méthode de rayonnement en deux étapes divise les tests OTA MIMO en deux étapes : la première étape consiste à mesurer le diagramme de rayonnement terminal dans une chambre sombre et à utiliser la fonction de rapport du terminal pour obtenir le diagramme de rayonnement du DUT ; Dans le deuxième étage, les informations du diagramme de rayonnement mesurées dans le premier étage sont chargées dans le simulateur de canaux, simulant un canal sans fil qui inclut les caractéristiques de l’antenne de l’objet testé. Le signal de liaison descendante sorti par le simulateur de station de base charge d’abord les informations de la carte directionnelle du DUT

　　Figure 3 : Schéma de la méthode d’essai de radiation en deux étapes

　　Le canal sans fil est complexe et transmis par l’antenne de mesure pour effectuer des tests de performance du récepteur.

　　La cohérence entre la méthode de radiation en deux étapes et la méthode multi-sonde (MPAC), qui est devenue la norme OTA du CTIA, a été reconnue par le 3GPP. Une conclusion formelle a été approuvée lors de la réunion du 3GPP RAN4 conclue en mai 2017[4].

　　2, modèles d’antennes dans les systèmes radar

　　Contrairement aux antennes omnidirectionnelles sur terminaux mobiles, les systèmes radar ont généralement des largeurs de faisceau allant de plusieurs à plus de dix degrés. Les systèmes radar fonctionnent à la fois en mode recherche et suivi, nécessitant une modélisation précise de la direction du faisceau [5].

　　Les systèmes de simulation traditionnels se concentrent principalement sur la simulation du niveau de flux du signal du système radar, en considérant le chemin de transmission du signal et les résultats du traitement du signal, sans prendre en compte l’influence des diagrammes d’antenne et de la directivité sur le système radar. Par exemple, dans le VSS, en considérant la distance et la vitesse de la cible, l’antenne de l’émetteur-récepteur est simplifiée en un modèle de gain, qui n’affecte que le niveau de signal reçu par le récepteur. Dans cette architecture de simulation système, seuls certains paramètres de l’antenne (tels que le coefficient de réflexion, l’impédance, etc.) peuvent être associés au système RF en cascade.

　　Pour des scénarios d’application complexes, il est nécessaire de prendre en compte les informations de position de la plateforme dynamique (telles que les navires, les avions ou les véhicules de combat) et des antennes. Le logiciel de simulation système SystemVue propose une solution de conception hiérarchique qui, en plus de l’analyse du signal, peut également intégrer la position de la plateforme mobile (comme le système de coordonnées inertielles géocentriques), les informations de vitesse et la position de l’antenne du système radar phasé pour analyse. Cette plateforme peut configurer des radars multi-cibles et multi-stations, ainsi que des configurations multi-antennes.

　　Figure 4. Schéma de la configuration de simulation en trois couches pour un système radar

　　Dans la couche de signal, régler le mode de fonctionnement de l’antenne (recherche ou suivi), le diagramme de rayonnement de l’antenne et d’autres indicateurs de base ; Dans la couche d’antenne, la position de la cible radar est fixée, ainsi que l’angle d’inclinaison, l’angle de tangage et l’angle de lacet de la plateforme radar. Les angles d’inclinaison, de tangage et de lacet de l’antenne à l’intérieur de la plateforme radar sont fixés ; Dans la couche de trajectoire, des informations telles que la position (longitude, dimension, altitude), la direction, la vitesse, l’accélération et la trajectoire de mouvement de la plateforme radar et de la cible sont définies séparément. En convertissant sous différents systèmes de coordonnées, les informations sur le diagramme de rayonnement de l’antenne, la plateforme radar et la trajectoire de mouvement de la cible sont pris en compte de manière exhaustive.

　　L’exemple des tests de récepteur EW peut être utilisé pour illustrer les scénarios d’application complexes du radar. Dans la scène, le récepteur EW (EW Rx) est utilisé pour surveiller quatre stations radar dans l’espace. La tâche du récepteur EW est de détecter tous ces signaux, d’identifier chaque signal et d’organiser la position, la vitesse, la forme d’onde temporelle et le contenu fréquentiel de chaque station radar.

　　Figure 5 : Scénario de test de récepteur EW

　　Pour tester un récepteur EW, un signal de test doit être généré, ce qui ne signifie pas simplement superposer plusieurs formes d’onde temporelles. Puisque les récepteurs EW peuvent être installés sur des avions, des voitures ou des navires de guerre, les outils utilisés pour générer ces signaux de test doivent permettre aux utilisateurs de spécifier l’emplacement, la vitesse, la trajectoire de mouvement et d’autres détails de la station EW Rx. De plus, pour chaque station radar, l’outil doit permettre aux utilisateurs de spécifier sa position, sa vitesse, sa forme d’onde temporelle, sa fréquence, son mode de fonctionnement de l’antenne, etc. [6].

　　Si une modélisation environnementale précise est nécessaire, les logiciels de simulation de couche de signal comme Simulink et SystemVue ne peuvent pas gérer cela. L’utilisation de logiciels professionnels de simulation de scénarios tels que STK pour modéliser les postures et environnements des cibles permet d’obtenir des caractéristiques de cible plus réalistes.

　　Comme montré à la Figure 6, SystemVue est utilisé pour générer une source linéaire de signal d’impulsions FM, et des facteurs tels que la non-linéarité et le bruit provenant des dispositifs RF sont ajoutés via le chemin de transmission RF. Le signal dans le domaine temporel entre dans le logiciel STK via une interface. STK prédéfinit le terrain extérieur et les formes de relief, ainsi que des indicateurs tels que les trajectoires de mouvement des avions et les attitudes de vol. Le radar est en mode suivi, visant à éclairer l’avion avec des faisceaux autant que possible, tandis que l’avion effectue diverses manœuvres pour échapper à la détection radar. Les signaux du domaine temporel pour l’ensemble de la scène sont renvoyés au logiciel SystemVue, où la probabilité de détection radar est obtenue via des programmes de post-traitement.

　　Figure 6 : Schéma de la simulation de l’articulation STK

　　3, Conclusion

　　Il est évident que dans les systèmes de communication ou radar, les antennes n’apparaissent plus isolées mais sont étroitement intégrées aux canaux de communication et aux scénarios d’utilisation radar, travaillant ensemble. Si les concepteurs d’antennes et les concepteurs de systèmes de communication/radar peuvent exploiter les logiciels commerciaux existants et les théories matures pour intégrer les caractéristiques des antennes dans la conception du système, ils peuvent réduire significativement le risque de débogage conjoint et accélérer la conception du produit.