Обзор методов моделирования антенн и каналов передачи, а также примеров моделирования систем

　　Для коммуникационных или радиолокационных систем антенны выполняют роль передачи и приема электромагнитных волн. Качество антенны сильно влияет на работу системы. Традиционные теории и методы моделирования редко включают антенны в системах связи и радары для общего рассмотрения. Конструкторы антенн сосредотачиваются на таких индикаторах, как направленность, эффективность и объём антенны, редко учитывая координацию антенны и каналом передачи, а ещё меньше — на то, как характеристики антенны могут влиять на систему.

　　В данной статье резюмируются различия между антенными моделями в двух разных системах и фокус моделирования, изучая отраслевые методы моделирования антенн и каналов передачи в терминалах связи и радарных системах, а также примеры моделирования систем.

　　1. Модель антенны в терминалах связи

　　Мобильные каналы связи в основном обладают следующими характеристиками: открытыми переменными параметрическими каналами, что делает их легко подверженными воздействию различных помех; Географическая среда принимающих точек очень сложна и разнообразна, примерно делится на три категории: городская, пригородная и сельская; Пользователи имеют случайную мобильность.

　　Из-за вышеуказанных характеристик мобильных каналов связи по сравнению с свободным пространством распространение электромагнитных волн включает больше дифракционных и рассеивающих волн помимо прямых волн, а также различные типы потерь: потеря на пути распространения, медленное затухание и быстрое затухание потерь [1]. Для достижения оптимального приёма в различных условиях антенны терминала связи проектируются максимально вездесантно.

　　1.1 Модель одной антенны с терминалом антенны

　　Для терминалов системы связи модель антенны обычно определяется по координатам и усилению; Модель канала определяется такими параметрами, как шум, затухание и многопутевая частота. Для различных типов систем связи модели антенн и каналов часто комбинируются для всестороннего рассмотрения.

　　Диаграмма ниже ссылается на наиболее распространённые паттерны использования антенн и каналов, описанные в программном обеспечении ADS. Канал (PropGSM) расположен между базовой станцией (AntBase) и мобильной антенной (AntMobile). Индикаторы мобильной антенны включают только усиление, положение и высоту, скорость и т.д. Стандартный тип антенны является всенаправленным, а основными факторами для работы системы являются усиление, многолучевые эффекты и доплеровское сдвиг.

　　Рисунок 1: Антенна и модель канала системы GSM

　　1.2 Модели антенн в MIMO-системах

　　В мобильной связи такие факторы, как многолучевое затухание и доплеровские сдвиги частоты, приводят к ухудшению качества принимаемого сигнала. Для улучшения качества мобильного сигнала технология двухантенного диверсификационного приёма значительно повышает качество сигнала при низкой стоимости и с низкой сложностью реализации. Использование антенны с диверсификацией предназначено для приема двух или более некоррелированных сигналов, чтобы при последующей обработке или векторном синтезе сигнал с наибольшей силой можно было найти сигнал с наибольшей силой. Поэтому чем ниже корреляция между антеннами, тем лучше. Поскольку электромагнитные среды, в которых работают антенны, различаются, при оценке корреляции антенн необходимо учитывать беспроводные среды. Общий эффект передатчиков и препятствий можно описать с помощью функции плотности вероятности PDF (PDF), которая характеризует характеристики распределения вероятностей антенн, принимающих самые сильные сигналы из разных направлений.

　　Помимо пространственного разнообразия, существует и поляризационное разнообразие. Использование кросс-поляризированного различия (XPD) для описания поляризации космических радиоволн. Чем больше XPD, тем больше компонент поляризации в направлении фи; наоборот, чем меньше XPD, тем меньше компонент поляризации в тета-направлении.

　　Комплексный CorrelaTIon используется для описания среднего сходства, принимаемого двумя антеннами при определённых электромагнитных и поляризированных условиях.

　　С помощью коммерческого программного обеспечения, например EMPro, можно настроить PDF и XPD для конкретных моделей антенн с диверсификацией, учитывая эффект приёма диверсификации с двумя антеннами [2].

　　В программном обеспечении для симуляции беспроводных систем связи возможно моделировать антенны и каналы системы связи, импортируя 3D-карты диаграммы передающих и принимающих антенн и их относительные положения, в сочетании с типичными моделями каналов (такими как WINNER), тем самым моделируя спецификации системы. На рисунке ниже показана модель канала WINNER II в программном обеспечении для симуляции системы SystemVue, которая поддерживает импорт нескольких диаграмм излучения антенн для моделирования или тестирования и может задавать двумерные относительные положения антенных решеток.

　　Рисунок 2. Настройка антенны MIMO канала WINNER

　　Импортируя чисто дальние изображения телефонного излучения и навигационных карт с учётом моделей человеческой головы ПВО создаются две модели каналов, позволяющие сравнивать пропускную способность системы между идеальными и реальными рабочими сценариями [3]. Таким образом, истинная диаграмма антенны и её расположение могут быть интегрированы в модель канала, что позволяет производительности антенны влиять на метрику системы.

　　Модели антенн и каналов могут применяться не только в программном обеспечении для моделирования, но и служат необходимыми условиями для участия в стандартных испытаниях. Типичный пример — двухступенчатый метод излучения (RTS) от Keysight.

　　Двухэтапный метод излучения делит тестирование MIMO OTA на два этапа: первый этап включает измерение терминальной диаграммы излучения в тёмной камере и использование функции отчетности терминала для получения диаграммы излучения DUT; На втором этапе информация о диаграмме излучения, измеренная на первой ступени, загружается в симулятор канала, имитируя беспроводной канал, включающий характеристики антенны исследуемого объекта. Выход нисходящего сигнала с симулятора базовой станции сначала загружает информацию о карте направления для DUT

　　Рисунок 3: Схема двухступенчатого метода испытания на радиацию

　　Беспроводной канал запутывается и передаётся измерительной антенной для проведения тестов производительности приёмника.

　　Согласованность между двухступенчатым методом излучения и многоступенчатыми измерениями (MPAC), ставшим стандартом CTIA MIMO OTA, была признана 3GPP. Официальное заключение было утверждено на заседании 3GPP RAN4, завершившейся в мае 2017 года[4].

　　2, антенны в радиолокационных системах

　　В отличие от всенаправленных антенн на мобильных терминалах, радарные системы обычно имеют ширину луча антенн от нескольких до более десяти градусов. Радарные системы работают как в режиме поиска, так и в режиме слежения, требуя точного моделирования направления луча [5].

　　Традиционные системы симуляции в основном сосредоточены на моделировании уровня потока сигнала в радиолокационной системе, учитывая траекторию передачи сигнала и результаты обработки сигнала, без учета влияния диаграммы и направленности антенны на радиолокационную систему. Например, в VSS, учитывая расстояние и скорость до цели, антенна трансивера упрощается до модели усиления, которая влияет только на уровень сигнала, принимаемого приёмником. В рамках этой архитектуры симуляции системы с каскадной радиочастотной системой могут быть связаны только некоторые параметры антенны (такие как коэффициент отражения, импеданс и др.).

　　Для сложных сценариев применения необходимо учитывать информацию о положении динамической платформы (например, кораблей, самолётов или боевых машин) и антенн. Программное обеспечение для моделирования систем SystemVue предлагает иерархическое проектное решение, которое, помимо анализа сигнала, может также включать положение движущейся платформы (например, геоцентрическую инерциальную координатную систему), информацию о скорости и положении антенны фазированной решётной решётки для анализа. Эта платформа может настраивать многоцелевые и многостанционные радары, а также многоантенные конфигурации.

　　Рисунок 4. Схема трёхслойной системы моделирования радиолокационной системы

　　В сигнальном слое установите режим работы антенны (поиск или отслеживание), диаграмму излучения антенны и другие базовые индикаторы; В антенном слое устанавливается положение целевой цели для радиолокационной площадки, а также угол наклона, тангаж и угол рыскания радиолокационной платформы. Внутри радиолокационной платформы устанавливаются углы наклона, тангажа и рыскания антенны; На уровне траектории информация, такая как положение (долгота, размерность, высота), направление, скорость, ускорение и траектория движения радиолокационной трансиверной платформы и цели, задаётся отдельно. При преобразовании под разными системами координат комплексно рассматривается диаграмма излучения антенны, радиолокационная платформа и траектории движения цели.

　　Пример тестирования радиоэлектронных приемников можно использовать для иллюстрации сложных сценариев применения радара. В этой сцене приёмник РЭБ (EW Rx) используется для мониторинга четырёх радиолокационных станций в космосе. Задача приёмника РЭБ — обнаживать все эти сигналы, идентифицировать каждый сигнал и организовывать положение, скорость, временную волну и частотное содержание каждой радиолокационной станции.

　　Рисунок 5: Сценарий испытания приемника РЭБ

　　Для тестирования РЭБ-приёмника необходимо сгенерировать тестовый сигнал, что не означает просто наложение нескольких временных сигналов. Поскольку приёмники РЭБ могут устанавливаться на самолётах, автомобилях или военных кораблях, инструменты для генерации этих тестовых сигналов должны позволять пользователям указывать местоположение, скорость, траекторию движения и другие детали станции EW Rx. Кроме того, для каждой радиолокационной станции инструмент должен позволять пользователям указывать её положение, скорость, временную форму волны, частоту, режим работы антенны и так далее [6].

　　Если требуется точное моделирование окружающей среды, программное обеспечение для моделирования сигнальных слоёв, такое как Simulink и SystemVue, не справится с этим. Использование профессионального программного обеспечения для симуляции сценариев, такого как STK, для моделирования позиций и сред целей позволяет добиться более реалистичных характеристик цели.

　　Как показано на рисунке 6, SystemVue используется для генерации линейного источника FM-импульсного сигнала, а такие факторы, как нелинейность и шум от радиочастотных устройств, добавляются по пути передачи РЧ. Сигнал во временной области поступает в программное обеспечение STK через интерфейс. STK заранее определяет открытый рельеф и формы рельефа, а также индикаторы, такие как траектории движения самолётов и ориентации полёта. Радар находится в режиме слежения, стремясь максимально освещать самолёт лучами, в то время как самолёт выполняет различные манёвры, чтобы избежать обнаружения радаром. Сигналы во временной области всей сцены возвращаются в программное обеспечение SystemVue, где вероятность обнаружения радара получается с помощью программ постобработки.

　　Рисунок 6: Схематическая схема моделирования стыков STK

　　3, Заключение

　　Очевидно, что в системах связи или радары антенны больше не появляются изолированно, а тесно интегрированы с каналами связи и сценариями использования радара, работая вместе. Если конструкторы антенн и конструкторы коммуникационных и радиолокационных систем смогут использовать существующее коммерческое программное обеспечение и зрелые теории для интеграции характеристик антенны в проектирование системы, они смогут значительно снизить риск совместной отладки и ускорить проектирование продукта.