資料介紹
在通信系統(tǒng)或雷達(dá)系統(tǒng)中,天線(xiàn)模型需要和通信信道或雷達(dá)使用場(chǎng)景等緊密結(jié)合,共同作用。本文通過(guò)對(duì)通信及雷達(dá)系統(tǒng)仿真進(jìn)行研究,比較兩類(lèi)系統(tǒng)中的天線(xiàn)模型,歸納目前通信終端及雷達(dá)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中對(duì)天線(xiàn)性能進(jìn)行考量的幾種方法。
1、引言
對(duì)于通信或雷達(dá)系統(tǒng),天線(xiàn)都扮演著發(fā)射及接收電磁波的角色。天線(xiàn)性能的好壞,會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。傳統(tǒng)理論和仿真技術(shù),很少將天線(xiàn)放入通信/雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行整體考量。天線(xiàn)設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的是天線(xiàn)的方向性、效率、體積等指標(biāo),很少考慮天線(xiàn)和傳輸信道的配合,更難得考慮天線(xiàn)特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)系能造成怎樣的影響。本文通過(guò)研究業(yè)界針對(duì)通信終端及雷達(dá)系統(tǒng)中天線(xiàn)及傳輸信道模型建模的方法及系統(tǒng)仿真案例,總結(jié)兩個(gè)不同的系統(tǒng)中天線(xiàn)模型的差別及仿真的側(cè)重點(diǎn)。
2、通信終端中的天線(xiàn)模型
移動(dòng)通信信道主要存在以下特點(diǎn):開(kāi)放變參信道,容易受到各種干擾影響;接收點(diǎn)地理環(huán)境非常復(fù)雜多樣,如大致可分為城市、近郊及農(nóng)村三類(lèi);用戶(hù)具有隨機(jī)移動(dòng)性。由于上述移動(dòng)通信信道特點(diǎn),導(dǎo)致電磁波的傳播和自由空間相比,除直射波以外,還存在較多的繞射波及散射波,同時(shí)存在不同類(lèi)型的損耗:路徑傳播損耗、慢衰落損耗及快衰落損耗。為在不同環(huán)境下獲得最佳接收效果,通信終端的天線(xiàn)盡量設(shè)計(jì)為全向天線(xiàn)。
2.1 單天線(xiàn)終端天線(xiàn)模型
對(duì)于通信系統(tǒng)終端,天線(xiàn)模型通常由其坐標(biāo)及增益來(lái)進(jìn)行定義;而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數(shù)進(jìn)行定義。針對(duì)不同類(lèi)型的通信系統(tǒng),常常將天線(xiàn)和信道模型放在一起,進(jìn)行綜合考量。下圖引用了ADS軟件中描述的最常見(jiàn)的天線(xiàn)及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移動(dòng)天線(xiàn)(AntMobile)之間。移動(dòng)天線(xiàn)指標(biāo)僅有增益、位置及高度、速度等信息,天線(xiàn)類(lèi)型默認(rèn)為全向天線(xiàn),對(duì)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)主要是增益及多徑效應(yīng)、多普勒頻移。
MIMO系統(tǒng)中天線(xiàn)模型
在移動(dòng)通信中,由于多徑衰落、多普勒頻移等因素,導(dǎo)致接收信號(hào)質(zhì)量下降。為改善移動(dòng)接收信號(hào)質(zhì)量,使用雙天線(xiàn)分集接收技術(shù)在低成本、低實(shí)現(xiàn)難度的前提下明顯改善接收信號(hào)質(zhì)量。使用分集天線(xiàn),就是為接收到兩個(gè)以上的不相關(guān)信號(hào),以便在后續(xù)處理中找到強(qiáng)度最大的信號(hào)或者進(jìn)行矢量信號(hào)合成。故天線(xiàn)之間的相關(guān)性越低越好。天線(xiàn)工作的電磁環(huán)境各有不同,故在衡量天線(xiàn)的相關(guān)性時(shí)必須將無(wú)線(xiàn)環(huán)境考慮進(jìn)去。可以將發(fā)射機(jī)及障礙物總效應(yīng)用概率密度函數(shù)PDF(probabilitydensity function)來(lái)進(jìn)行描述,其表征了天線(xiàn)從不同方向接收到最強(qiáng)信號(hào)的概率分布特征。除了空間的分集,還存在極化分集情況。使用交叉極化鑒別度XPD(Cross-PolarizationDiscrimination)可以描述空間電波極化情況。XPD越大,則phi方向極化分量越大,反之XPD越小,theta方向極化分量越小。使用復(fù)相關(guān)性(Complex Correlation)來(lái)描述處于一定電磁化境及極化情況下,兩個(gè)天線(xiàn)接收到的相似平均度。使用一些商業(yè)軟件,如EMPro,能夠針對(duì)特定的分集天線(xiàn)模型,設(shè)定PDF、XPD,考慮雙天線(xiàn)分集接收效果[2]。在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)仿真軟件中,能夠通過(guò)導(dǎo)入發(fā)射、接收天線(xiàn)的三維方向圖以及其相對(duì)位置,結(jié)合典型信道模型(如 WINNER),對(duì)通信系統(tǒng)的天線(xiàn)及信道進(jìn)行建模,從而仿真系統(tǒng)指標(biāo)。如下圖為系統(tǒng)仿真軟件SystemVue中的WINNER II信道模型,其支持導(dǎo)入仿真或測(cè)試的多天線(xiàn)方向圖,并能夠設(shè)置發(fā)射、接收天線(xiàn)陣列的二維相對(duì)位置。
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