안테나 및 전송 채널 모델 모델링 방법과 시스템 시뮬레이션 사례 개요

　　통신 또는 레이더 시스템에서 안테나는 전자기파를 송수신하는 역할을 합니다. 안테나의 품질은 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다. 전통적인 이론 및 시뮬레이션 기법에서는 통신/레이더 시스템에 안테나를 포함하지 않고 전체적인 고려를 합니다. 안테나 설계자들은 안테나 방향성, 효율, 볼륨과 같은 지표에 집중하며, 안테나와 송신 채널 간의 조정은 거의 고려하지 않으며, 안테나 특성이 시스템에 미치는 영향은 더더욱 고려하지 않습니다.

　　본 논문은 통신 단말기 및 레이더 시스템에서 안테나 및 전송 채널 모델 모델링을 위한 산업 방법과 시스템 시뮬레이션 사례를 연구하여 두 시스템의 안테나 모델 간 차이점과 시뮬레이션의 초점을 요약합니다.

　　1. 통신 단말기에서의 안테나 모델

　　모바일 통신 채널은 주로 다음과 같은 특징을 가집니다: 개방형 변수 채널로 다양한 간섭에 쉽게 영향을 받고; 수신 지점의 지리적 환경은 매우 복잡하고 다양하며, 대략 도시, 교외, 농촌의 세 가지 범주로 나뉩니다; 사용자들은 무작위 이동성을 가집니다.

　　위 모바일 통신 채널의 특성 때문에, 자유 공간과 비교해 전자기파 전파는 직파 외에도 회절파와 산란파가 더 많으며, 경로 전파 손실, 느린 페이딩 손실, 빠른 페이딩 손실 등 다양한 유형의 손실을 포함합니다 [1]. 다양한 환경에서 최적의 수신을 달성하기 위해 통신 단말 안테나는 가능한 한 전방향성 안테나로 설계됩니다.

　　1.1 단일 안테나 단말 안테나 모델

　　통신 시스템 단말기의 경우, 안테나 모델은 보통 좌표와 이득으로 정의됩니다; 채널 모델은 잡음, 페이딩, 다중 경로와 같은 매개변수로 정의됩니다. 서로 다른 유형의 통신 시스템에 대해, 안테나와 채널 모델을 통합하여 종합적으로 고려하는 경우가 많습니다.

　　아래 도표는 ADS 소프트웨어에서 설명되는 가장 일반적인 안테나 및 채널 사용 패턴을 참조한 것입니다. 채널(PropGSM)은 기지국(AntBase)과 모바일 안테나(AntMobile) 사이에 위치합니다. 모바일 안테나 표시기는 이득, 위치 및 높이, 속도 등만 포함합니다. 기본 안테나 유형은 전방향이며, 시스템 성능에 주요 기여하는 요소는 이득, 다중 경로 효과, 도플러 시프트입니다.

　　그림 1: GSM 시스템 안테나 및 채널 모델

　　1.2 MIMO 시스템의 안테나 모델

　　모바일 통신에서는 다중 경로 페이딩과 도플러 주파수 이동과 같은 요인들이 수신 신호 품질의 저하를 초래합니다. 모바일 신호 품질을 향상시키기 위해 이중 안테나 다이버시티 수신 기술은 낮은 비용과 구현 난이도로 신호 품질을 크게 향상시킵니다. 다이버시티 안테나를 사용하는 것은 두 개 이상의 상관관계 없는 신호를 수신하여 이후 처리나 벡터 신호 합성 시 가장 강한 신호를 찾을 수 있도록 하는 것입니다. 따라서 안테나 간 상관관계가 낮을수록 더 좋습니다. 안테나가 작동하는 전자기 환경이 다르기 때문에, 안테나 상관관계를 평가할 때 무선 환경을 고려해야 합니다. 송신기와 장애물의 총 효과는 확률 밀도 함수 PDF(PDF)를 사용하여 설명할 수 있는데, 이는 서로 다른 방향에서 가장 강한 신호를 수신하는 안테나의 확률 분포 특성을 특징짓습니다.

　　공간적 다양성 외에도 편광 다양성도 존재합니다. 우주 전파의 편광을 설명하기 위해 교차 편광 판별(XPD)을 사용했습니다. XPD가 클수록 파이 방향의 편광 성분이 더 크고; 반대로 XPD가 작을수록 쎄타 방향의 편광 성분이 작아집니다.

　　복소 코렐라톤은 특정 전자기 및 편광 조건에서 두 안테나가 수신하는 유사성 평균을 설명하는 데 사용됩니다.

　　EMPro와 같은 일부 상업용 소프트웨어를 사용하면 듀얼 안테나 다이버시티 수신 효과를 고려하여 특정 다이버시티 안테나 모델에 대해 PDF와 XPD를 설정할 수 있습니다 [2].

　　무선 통신 시스템 시뮬레이션 소프트웨어에서는 송수신 안테나의 3D 패턴 맵과 그 상대적 위치를 가져오고, 일반적인 채널 모델(예: WINNER)을 결합하여 통신 시스템의 안테나와 채널을 모델링하여 시스템 사양을 시뮬레이션할 수 있습니다. 아래 그림은 시스템 시뮬레이션 소프트웨어인 SystemVue의 WINNER II 채널 모델을 보여주며, 시뮬레이션 또는 테스트를 위해 여러 안테나 복사 패턴을 가져오고 송수신 안테나 배열의 2차원 상대 위치를 설정할 수 있습니다.

　　그림 2. WINNER 채널 MIMO 안테나 모델 설정

　　순수 원거리 전화 방사 패턴과 SAM 인간 머리 모델을 고려한 전화 내비게이션 지도를 가져오면, 두 개의 채널 모델이 생성되어 이상적 시나리오와 실제 작동 시나리오 간 시스템 용량을 비교할 수 있습니다[3]. 이렇게 하면 실제 안테나 패턴과 안테나 배치를 채널 모델에 통합할 수 있어, 안테나 성능이 시스템 지표에 영향을 미칠 수 있습니다.

　　안테나 및 채널 모델은 시뮬레이션 소프트웨어에 적용될 뿐만 아니라 표준 시험에 참여하기 위한 필수 시험 조건으로도 활용될 수 있습니다. 대표적인 사례로는 Keysight의 2단계 방사선 방법(RTS)이 있습니다.

　　2단계 방사선 방법은 MIMO OTA 테스트를 두 단계로 나눕니다: 첫 단계는 어두운 챔버에서 단말 방사 패턴을 측정하고 단말의 보고 기능을 사용해 DUT의 방사선 패턴을 얻는 것입니다; 2단계에서는 1단계에서 측정된 방사선 패턴 정보가 채널 시뮬레이터에 로드되어, 테스트 대상 물체의 안테나 특성을 포함하는 무선 채널을 시뮬레이션합니다. 기지국 시뮬레이터에서 출력되는 다운링크 신호가 먼저 DUT의 방향도 정보를 로드합니다

　　그림 3: 2단계 방사선 시험 방법 도표

　　무선 채널은 합성되어 측정 안테나에 의해 송신되어 수신기의 성능 테스트를 수행합니다.

　　2단계 방사선 방법과 다중 프로브 방법(MPAC) 측정 간의 일관성은 CTIA, MIMO OTA 측정 표준으로 채택되었으며, 3GPP에서 인정받았습니다. 2017년 5월에 종료된 3GPP RAN4 회의에서 공식 결론이 승인되었습니다[4].

　　2, 레이더 시스템의 안테나 모델

　　모바일 단말기의 전방향성 안테나와 달리, 레이더 시스템은 일반적으로 안테나 빔 폭이 수 도에서 10도 이상까지 다양합니다. 레이더 시스템은 탐색 모드와 추적 모드 모두에서 작동하므로 빔 방향의 정밀한 모델링이 필요합니다 [5].

　　전통적인 시뮬레이션 시스템은 주로 레이더 시스템의 신호 흐름 수준을 시뮬레이션하는 데 집중하며, 신호 전송 경로와 신호 처리 결과를 고려하며, 안테나 패턴 패턴과 방향성이 레이더 시스템에 미치는 영향을 고려하지 않습니다. 예를 들어, VSS에서는 목표물의 거리와 속도를 고려할 때, 송수신기 안테나가 이득 모델로 단순화되며, 이는 수신기가 수신하는 신호 레벨에만 영향을 미칩니다. 이 시스템 시뮬레이션 아키텍처에서는 반사 계수, 임피던스 등과 같은 일부 안테나 파라미터만 계단화된 RF 시스템과 연관될 수 있습니다.

　　복잡한 응용 시나리오에서는 동적 플랫폼(예: 함정, 항공기, 전투 차량)과 안테나의 위치 정보를 고려해야 합니다. 시스템 시뮬레이션 소프트웨어 SystemVue는 계층적 설계 솔루션을 제공하며, 신호 분석 외에도 이동 플랫폼의 위치(예: 지구 중심 관성 좌표계), 속도 정보, 위상 배열 레이더 시스템의 안테나 위치 정보를 분석에 포함할 수 있습니다. 이 플랫폼은 다중 목표 및 다중 기지 레이더뿐만 아니라 다중 안테나 구성을 구성할 수 있습니다.

　　그림 4. 레이더 시스템을 위한 3층 시뮬레이션 설정 개략도

　　신호 계층에서는 안테나의 작동 모드(탐색 또는 추적), 안테나 방사 패턴 및 기타 기본 표시기를 설정합니다; 안테나 층에서는 레이더 표적 위치와 레이더 플랫폼의 기울기, 피치각, 요 각도가 설정됩니다. 안테나의 기울기, 피치, 요 각도는 레이더 플랫폼 내에서 설정되어 있습니다; 궤적 계층에서는 위치(경도, 거리, 고도), 방향, 속도, 가속도, 이동 궤적과 같은 레이더 송수신기 플랫폼과 목표물의 이동 궤적이 별도로 설정됩니다. 서로 다른 좌표계에서 변환함으로써 안테나의 방사 패턴, 레이더 플랫폼, 목표물 이동 궤적 정보를 포괄적으로 고려합니다.

　　전자전 수신기 시험 사례는 레이더의 복잡한 응용 시나리오를 설명하는 데 사용될 수 있습니다. 장면에서 전자전 수신기(EW Rx)는 우주에 있는 네 개의 레이더 기지를 모니터링하는 데 사용됩니다. 전자전 수신기의 임무는 이 모든 신호를 탐지하고, 각 신호를 식별하며, 각 레이더 기지의 위치, 속도, 시간파형, 주파수 내용을 정리하는 것입니다.

　　그림 5: 전자전 수신기 시험 시나리오

　　EW 수신기를 테스트하려면 테스트 신호를 생성해야 하며, 이는 단순히 여러 시간 파형을 겹쳐 쓰는 것이 아닙니다. EW 수신기는 비행기, 자동차, 군함에 장착될 수 있으므로, 이러한 시험 신호를 생성하는 데 사용되는 도구는 사용자가 EW Rx 스테이션의 위치, 속도, 이동 경로 및 기타 세부 정보를 지정할 수 있도록 해야 합니다. 또한, 각 레이더 기지마다 사용자가 위치, 속도, 시간 파형, 주파수, 안테나 작동 모드 등을 지정할 수 있어야 합니다 [6].

　　정밀한 환경 모델링이 필요한 경우, Simulink나 SystemVue 같은 신호 계층 시뮬레이션 소프트웨어는 이를 처리할 수 없습니다. STK와 같은 전문 시나리오 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 목표 자세와 환경을 모델링하면 보다 현실적인 목표 특성을 얻을 수 있습니다.

　　그림 6에서 보듯이, SystemVue는 선형 FM 펄스 신호 소스를 생성하는 데 사용되며, RF 장치의 비선형성이나 잡음 등의 요소가 RF 전송 경로를 통해 추가됩니다. 시역 신호는 인터페이스를 통해 STK 소프트웨어에 들어옵니다. STK는 야외 지형과 지형, 항공기 이동 궤적, 비행 자세와 같은 지표를 미리 정의합니다. 레이더는 추적 모드로 전환되어 가능한 한 많은 빔으로 항공기를 비추는 것을 목표로 하며, 비행기는 레이더 탐지를 회피하기 위해 다양한 기동을 수행합니다. 장면 전체의 시간 영역 신호는 SystemVue 소프트웨어로 반환되며, 레이더 탐지 확률은 후처리 프로그램을 통해 얻습니다.

　　그림 6: STK 조인트 시뮬레이션의 회로도

　　3, 결론

　　통신 또는 레이더 시스템에서 안테나는 더 이상 고립되어 나타나지 않고 통신 채널 및 레이더 사용 시나리오와 밀접하게 통합되어 함께 작동한다는 것이 분명합니다. 안테나 설계자와 통신/레이더 시스템 설계자가 기존 상용 소프트웨어와 성숙한 이론을 활용해 안테나 특성을 시스템 설계에 통합할 수 있다면, 공동 디버깅의 위험을 크게 줄이고 제품 설계를 가속화할 수 있습니다.