Visão geral dos métodos de modelagem de modelos de antenas e canais de transmissão e dos casos de simulação de sistemas

　　Para sistemas de comunicação ou radar, as antenas desempenham o papel de transmitir e receber ondas eletromagnéticas. A qualidade da antena afeta muito o desempenho do sistema. Técnicas tradicionais de teoria e simulação raramente incluem antenas em sistemas de comunicação/radar para consideração geral. Projetistas de antenas focam em indicadores como direcionalidade, eficiência e volume da antena, raramente considerando a coordenação entre a antena e o canal de transmissão, e ainda menos sobre como as características da antena podem afetar o sistema.

　　Este artigo resume as diferenças entre modelos de antena em dois sistemas diferentes e o foco da simulação estudando métodos da indústria para modelar modelos de antenas e canais de transmissão em terminais de comunicação e sistemas de radar, bem como casos de simulação de sistemas.

　　1. Modelo de antena em terminais de comunicação

　　Canais de comunicação móvel possuem principalmente as seguintes características: canais abertos de parâmetros variáveis, tornando-os facilmente afetados por diversas interferências; O ambiente geográfico dos pontos de recepção é muito complexo e diverso, dividido aproximadamente em três categorias: urbano, suburbano e rural; Os usuários têm mobilidade aleatória.

　　Devido às características acima dos canais de comunicação móveis, em comparação ao espaço livre, a propagação de ondas eletromagnéticas envolve mais ondas de difração e espalhamento além das ondas diretas, juntamente com diferentes tipos de perda: perda por propagação de caminho, perda por desvanecimento lento e perda por desaparecimento rápido [1]. Para alcançar recepção ótima em diferentes ambientes, as antenas terminais de comunicação são projetadas o mais omnidirecionais possível.

　　1.1 Modelo de Antena Terminal de Antena Única

　　Para terminais de sistemas de comunicação, o modelo da antena geralmente é definido por suas coordenadas e ganho; O modelo de canal é definido por parâmetros como ruído, desbotamento e multicaminho. Para diferentes tipos de sistemas de comunicação, modelos de antena e canal são frequentemente combinados para consideração abrangente.

　　O diagrama abaixo faz referência aos padrões de uso mais comuns de antenas e canais descritos em softwares ADS. O canal (PropGSM) está localizado entre a estação base (AntBase) e a antena móvel (AntMobile). Os indicadores de antena móvel incluem apenas ganho, posição e altura, velocidade, etc. O tipo padrão de antena é omnidirecional, e os principais contribuintes para o desempenho do sistema são ganho, efeitos multipath e deslocamento Doppler.

　　Figura 1: Modelo de antena e canal do sistema GSM

　　1.2 Modelos de Antena em Sistemas MIMO

　　Nas comunicações móveis, fatores como desvanecimento multicaminho e deslocamentos de frequência Doppler levam a uma queda na qualidade do sinal recebido. Para melhorar a qualidade do sinal móvel, a tecnologia de recepção de diversidade de dupla antena melhora significativamente a qualidade do sinal a baixo custo e com baixa dificuldade de implementação. Usar uma antena de diversidade é receber dois ou mais sinais não correlacionados, de modo que o sinal com maior intensidade possa ser encontrado durante o processamento subsequente ou a síntese vetorial do sinal. Portanto, quanto menor a correlação entre antenas, melhor. Como os ambientes eletromagnéticos em que as antenas operam diferem, ambientes sem fio devem ser considerados ao avaliar a correlação das antenas. O efeito total dos transmissores e obstáculos pode ser descrito usando a função densidade de probabilidade PDF (PDF), que caracteriza as características da distribuição de probabilidade das antenas que recebem os sinais mais fortes de diferentes direções.

　　Além da diversidade espacial, também existe diversidade de polarização. Utilizando a Discriminância de Polarização Cruzada (XPD) para descrever a polarização das ondas de rádio espaciais. Quanto maior o XPD, maior o componente de polarização na direção phi; inversamente, quanto menor o XPD, menor o componente de polarização na direção theta.

　　Correlato Complexo é usado para descrever a média de similaridade recebida por duas antenas sob certas condições eletromagnetizadas e polarizadas.

　　Usando alguns softwares comerciais, como o EMPro, é possível definir PDF e XPD para modelos específicos de antenas de diversidade, considerando o efeito de recepção de diversidade de dupla antena [2].

　　Em softwares de simulação de sistemas de comunicação sem fio, é possível modelar as antenas e canais do sistema de comunicação importando mapas de padrões 3D das antenas transmissoras e receptoras e suas posições relativas, combinados com modelos típicos de canal (como o WINNER), simulando assim as especificações do sistema. A figura abaixo mostra o modelo de canal WINNER II no software de simulação de sistemas SystemVue, que suporta a importação de múltiplos padrões de radiação de antenas para simulação ou teste e pode definir as posições relativas bidimensionais das matrizes de antenas transmissoras e receptoras.

　　Figura 2. Configuração do modelo de antena MIMO do canal WINNER

　　Ao importar padrões puros de radiação telefônica de campo distante e mapas de navegação de telefones considerando modelos de cabeça humana de SAM, são criados dois modelos de canais, permitindo a comparação da capacidade do sistema entre cenários ideais e reais de funcionamento [3]. Dessa forma, o padrão real da antena e a disposição da antena podem ser integrados ao modelo do canal, permitindo que o desempenho da antena afete as métricas do sistema.

　　Modelos de antena e canal não só podem ser aplicados em softwares de simulação, mas também servir como condições de teste necessárias para participar de testes padrão. Um caso típico é o Método de Radiação em Dois Passos (RTS) da Keysight.

　　O método de radiação em duas etapas divide o teste OTA MIMO em duas etapas: a primeira etapa envolve medir o padrão de radiação terminal em uma câmara escura e usar a função de relatório do terminal para obter o padrão de radiação do DUT; No segundo estágio, as informações do padrão de radiação medidas no primeiro estágio são carregadas no simulador de canal, simulando um canal sem fio que inclui as características da antena do objeto em teste. O sinal de downlink emitido pelo simulador da estação base carrega primeiro as informações do mapa direcional do DUT

　　Figura 3: Diagrama do método de teste de radiação em duas etapas

　　O canal sem fio é complexo e transmitido pela antena de medição para realizar testes de desempenho do receptor.

　　A consistência entre o método de radiação em dois passos e as medições do método multi-sonda (MPAC), que se tornou o padrão OTA do CTIA MIMO, foi reconhecida pelo 3GPP. Uma conclusão formal foi aprovada na reunião do 3GPP RAN4 concluída em maio de 2017[4].

　　2, modelos de antena em sistemas de radar

　　Ao contrário das antenas omnidirecionais em terminais móveis, sistemas de radar geralmente têm larguras de feixe de antena variando de vários a mais de dez graus. Sistemas de radar operam tanto em modos de busca quanto de rastreamento, exigindo modelagem precisa da direção do feixe [5].

　　Os sistemas tradicionais de simulação focam principalmente em simular o nível de fluxo de sinal do sistema de radar, considerando o caminho de transmissão do sinal e os resultados do processamento do sinal, sem considerar a influência dos padrões de padrões de antena e da diretividade no sistema de radar. Por exemplo, no VSS, considerando a distância e a velocidade do alvo, a antena do transceptor é simplificada para um modelo de ganho, que afeta apenas o nível de sinal recebido pelo receptor. Sob essa arquitetura de simulação do sistema, apenas alguns parâmetros da antena (como coeficiente de reflexão, impedância, etc.) podem ser associados ao sistema de RF em cascata.

　　Para cenários de aplicação complexos, é necessário considerar a informação de posição da plataforma dinâmica (como navios, aeronaves ou veículos de combate) e das antenas. O software de simulação de sistemas SystemVue oferece uma solução de projeto hierárquica que, além da análise de sinais, também pode incorporar a posição da plataforma móvel (como o sistema de coordenadas inerciais geocêntricas), informações de velocidade e informações de posição da antena do sistema de radar de matriz em fase para análise. Esta plataforma pode configurar radares multi-alvo e multi-estação, bem como configurações multi-antena.

　　Figura 4. Esquema da configuração de simulação em três camadas para sistema de radar

　　Na camada de sinal, defina o modo operacional da antena (busca ou rastreamento), o padrão de radiação da antena e outros indicadores básicos; Na camada da antena, a posição do alvo do radar é definida, assim como o ângulo de inclinação, ângulo de arfagem e ângulo de guinada da plataforma de radar. Os ângulos de inclinação, arfagem e guinada da antena dentro da plataforma de radar são definidos; Na camada de trajetória, informações como posição (longitude, dimensão, altitude), direção, velocidade, aceleração e trajetória de movimento da plataforma do transceptor de radar e do alvo são definidas separadamente. Ao converter sob diferentes sistemas de coordenadas, o padrão de radiação da antena, a plataforma de radar e as informações da trajetória de movimento do alvo são considerados de forma abrangente.

　　O exemplo dos testes de receptores de guerra electrónica pode ser usado para ilustrar os complexos cenários de aplicação do radar. Na cena, o receptor de guerra elétrica (EW Rx) é usado para monitorar quatro estações de radar no espaço. A tarefa do receptor de guerra é detectar todos esses sinais, identificar cada sinal e organizar a posição, velocidade, forma de onda temporal e conteúdo de frequência de cada estação de radar.

　　Figura 5: Cenário de teste do receptor EW

　　Para testar um receptor EW, um sinal de teste deve ser gerado, o que não significa simplesmente sobrepor múltiplas formas de onda temporais. Como receptores de guerra electrónica podem ser instalados em aviões, carros ou navios de guerra, as ferramentas usadas para gerar esses sinais de teste devem permitir que os usuários especifiquem a localização, velocidade, trajetória de movimento e outros detalhes da estação EW Rx. Além disso, para cada estação de radar, a ferramenta deve permitir que os usuários especifiquem sua posição, velocidade, forma de onda temporal, frequência, modo de operação da antena, e assim por diante [6].

　　Se for necessário modelar o ambiente preciso, softwares de simulação de camada de sinal como Simulink e SystemVue não conseguem lidar com isso. O uso de softwares profissionais de simulação de cenários, como o STK, para modelar posturas e ambientes de alvos pode alcançar características de alvos mais realistas.

　　Como mostrado na Figura 6, o SystemVue é usado para gerar uma fonte linear de sinal de pulso FM, e fatores como não linearidade e ruído de dispositivos RF são adicionados pelo caminho de transmissão RF. O sinal no domínio do tempo entra no software STK via interface. O STK pré-define terrenos externos e formas de relevo, assim como indicadores como trajetórias de movimento da aeronave e atitudes de voo. O radar está em modo de rastreamento, visando iluminar a aeronave com feixes o máximo possível, enquanto o avião realiza várias manobras para evitar a detecção por radar. Os sinais no domínio do tempo para toda a cena são devolvidos ao software SystemVue, onde a probabilidade de detecção do radar é obtida por meio de programas de pós-processamento.

　　Figura 6: Diagrama esquemático da simulação conjunta STK

　　3, Conclusão

　　É evidente que, em sistemas de comunicação ou radar, as antenas não aparecem mais isoladamente, mas estão integradas de perto com canais de comunicação e cenários de uso de radar, trabalhando juntos. Se projetistas de antenas e de sistemas de comunicação/radar conseguirem aproveitar softwares comerciais existentes e teorias maduras para integrar características das antenas no projeto do sistema, eles podem reduzir significativamente o risco de depuração conjunta e acelerar o design do produto.