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天线及传输信道模型建模的方法及系统仿真案例概述

发布时间:2019-05-02 23:51 来源:未知 编辑:admin

  对于通信或雷达系统,天线都扮演着发射及接收电磁波的角色。天线性能的好坏,会对系统性能产生很大影响。传统理论和仿真技术,很少将天线放入通信/雷达系统进行整体考量。天线设计师重点关注的是天线的方向性、效率、体积等指标,很少考虑天线和传输信道的配合,更难得考虑天线特性会对系统系能造成怎样的影响。

  对于通信系统终端,天线模型通常由其坐标及增益来进行定义;而信道模型则由噪声、衰落、多径等参数进行定义。针对不同类型的通信系统,常常将天线和信道模型放在一起,进行综合考量。

  下图引用了ADS软件中描述的最常见的天线及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移动天线(AntMobile)之间。移动天线指标仅有增益、位置及高度、速度等信息,天线类型默认为全向天线,对系统性能的贡献主要是增益及多径效应、多普勒频移。

  在移动通信中,由于多径衰落、多普勒频移等因素,导致接收信号质量下降。为改善移动接收信号质量,使用双天线分集接收技术在低成本、低实现难度的前提下明显改善接收信号质量。使用分集天线,就是为接收到两个以上的不相关信号,以便在后续处理中找到强度最大的信号或者进行矢量信号合成。故天线之间的相关性越低越好。天线工作的电磁环境各有不同,故在衡量天线的相关性时必须将无线环境考虑进去。可以将发射机及障碍物总效应用概率密度函数PDF(probabilitydensity function)来进行描述,其表征了天线从不同方向接收到最强信号的概率分布特征。

  除了空间的分集,还存在极化分集情况。使用交叉极化鉴别度XPD(Cross-PolarizaTIonDiscriminaTIon)可以描述空间电波极化情况。XPD越大,则phi方向极化分量越大,反之XPD越小,theta方向极化分量越小。

  使用复相关性(Complex CorrelaTIon)来描述处于一定电磁化境及极化情况下,两个天线接收到的相似平均度。

  使用一些商业软件,如EMPro,能够针对特定的分集天线模型,设定PDF、XPD,考虑双天线]。在无线通信系统仿真软件中,能够通过导入发射、接收天线的三维方向图以及其相对位置,结合典型信道模型(如WINNER),对通信系统的天线及信道进行建模,从而仿真系统指标。如下图为系统仿真软件SystemVue中的WINNER II信道模型,其支持导入仿真或测试的多天线方向图,并能够设置发射、接收天线阵列的二维相对位置。

  传统仿真系统中,主要侧重于对雷达系统进行信号流级的仿真,即考虑信号传输路径及信号处理结果,并不考虑天线的方向图及指向性对雷达系统的影响。如VSS中,考虑目标的距离及速度,将收发天线简化为增益模型,仅影响接收机获得的信号电平。在这种系统仿真架构下,天线仅有部分指标(如反射系数、阻抗等)能够和级联的射频系统发生关联。对于复杂的应用场景,需要考虑动平台(如舰船、飞行器或战车)及天线的位置信息。系统仿真软件SystemVue提供了一个层次化的设计解决方案,即除了信号层面的分析以外,还可将相控阵雷达系统所处的动平台的位置(如地心惯性坐标系)和速度信息、天线的位置信息等纳入一并进行分析。这个平台中,可以进行多目标、多站雷达的设定,也能够进行多天线、雷达系统三层仿真设置示意

  在信号层中,设置天线的工作模式(搜索或者跟踪)、天线方向图等基本指标;在天线层中,设置雷达目标位置,以及雷达平台的侧倾角、俯仰角、偏航角,天线在雷达平台中侧倾角、俯仰角、偏航角;在轨迹层中,分别设置雷达收发平台及目标的位置(经度、维度、高度)、指向、速度、加速度、运动轨迹等信息。通过在不同坐标系下进行转换,将天线的方向图及雷达平台、目标的运动轨迹等信息进行综合考虑。

  为了测试EW接收机,必须产生测试信号,这并不意味着简单的将多个时间波形进行叠加。由于EW接收机可能安装在飞机、汽车或军舰上,用于生成该测试信号的工具必须允许用户指定EW Rx站的位置、速度、运动轨迹等。此外,对于每个雷达站,工具必须允许用户指定其位置、速度、时间波形、频率、天线]。

  如果需要对环境进行精确建模,信号层仿真软件Simulink、SystemVue等就不能胜任了。使用专业的场景仿真软件,如STK等,对目标姿态、环境进行建模,能够获得较为真实的目标特性。

  如图6中,使用SystemVue产生线性调频脉冲信号源,并经过射频发射路径加入射频器件的非线性、噪声等因素,时域信号通过接口进入STK软件。STK中预先定义外场地形地貌以及飞机运动轨迹、飞行姿态等指标。雷达处于跟踪模式,尽量将波束照射到飞机上,而飞机则做出各种机动动作来规避雷达探测。整个场景的时域信号会返回到SystemVue软件中,通过后处理程序来获得雷达的检测概率。

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