對於通信或雷達系統，天線都扮演著發射及接收電磁波的角色。天線性能的好壞，會對系統性能產生很大影響。傳統理論和仿真技術，很少將天線放入通信/雷達系統進行整體考量。天線設計師重點關注的是天線的方向性、效率、體積等指標，很少考慮天線和傳輸信道的配合，更難得考慮天線特性會對系統系能造成怎樣的影響。
本文通過研究業界針對通信終端及雷達系統中天線及傳輸信道模型建模的方法及系統仿真案例，總結兩個不同的系統中天線模型的差別及仿真的側重點。
1、通信終端中的天線模型
移動通信信道主要存在以下特點：開放變參信道，容易受到各種幹擾影響;接收點地理環境非常複雜多樣，如大致可分為城市、近郊及農村三類;用戶具有隨機移動性。
由於上述移動通信信道特點，導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，同時存在不同類型的損耗：路徑傳播損耗、慢衰落損耗及快衰落損耗[1]。為在不同環境下獲得最佳接收效果，通信終端的天線儘量設計為全向天線。
1.1 單天線終端天線模型
對於通信系統終端，天線模型通常由其坐標及增益來進行定義;而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數進行定義。針對不同類型的通信系統，常常將天線和信道模型放在一起，進行綜合考量。
下圖引用了ADS軟體中描述的最常見的天線及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位於基站(AntBase)和移動天線(AntMobile)之間。移動天線指標僅有增益、位置及高度、速度等信息，天線類型默認為全向天線，對系統性能的貢獻主要是增益及多徑效應、都卜勒頻移。
圖1、GSM系統天線及信道模型
1.2 MIMO系統中天線模型
在移動通信中，由於多徑衰落、都卜勒頻移等因素，導致接收信號質量下降。為改善移動接收信號質量，使用雙天線分集接收技術在低成本、低實現難度的前提下明顯改善接收信號質量。使用分集天線，就是為接收到兩個以上的不相關信號，以便在後續處理中找到強度最大的信號或者進行矢量信號合成。故天線之間的相關性越低越好。天線工作的電磁環境各有不同，故在衡量天線的相關性時必須將無線環境考慮進去。可以將發射機及障礙物總效應用概率密度函數PDF(probabilitydensity function)來進行描述，其表徵了天線從不同方向接收到最強信號的概率分布特徵。
除了空間的分集，還存在極化分集情況。使用交叉極化鑑別度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。
使用復相關性(Complex CorrelaTIon)來描述處於一定電磁化境及極化情況下，兩個天線接收到的相似平均度。
使用一些商業軟體，如EMPro，能夠針對特定的分集天線模型，設定PDF、XPD，考慮雙天線分集接收效果[2]。
在無線通信系統仿真軟體中，能夠通過導入發射、接收天線的三維方向圖以及其相對位置，結合典型信道模型(如WINNER)，對通信系統的天線及信道進行建模，從而仿真系統指標。如下圖為系統仿真軟體SystemVue中的WINNER II信道模型，其支持導入仿真或測試的多天線方向圖，並能夠設置發射、接收天線陣列的二維相對位置。
圖2、WINNER信道MIMO天線模型設置
通過導入單純的手機遠場方向圖及考慮SAM人頭模型的手機方向圖，創建兩種信道模型，能夠比較理想工作場景及實際工作場景下系統容量[3]。通過這種方式，能夠將天線真實方向圖及天線布局融入到信道模型中，獲取天線性能對系統指標的影響。
天線及信道模型不僅能夠應用在仿真軟體中，還能作為必要測試條件，參與到標準測試中。典型案例是是德科技的輻射兩步法(RTS)。
輻射兩步法是把MIMO OTA 的測試分成兩步：第一階段先在暗室對終端進行方向圖測量，利用終端的上報功能測出待測件的輻射方向圖;第二階段把在第一階段中測到的方向圖信息加載到信道仿真器中，模擬出包含了待測件天線特性的無線信道。基站模擬器輸出的下行信號先和加載了待測件方向圖信息
圖3、輻射兩步法測試示意
的無線信道進行卷積，通過測量天線發射出來，進行接收機的性能測試。
輻射兩步法的測量結果和已經成為CTIA MIMO OTA測量標準的多探頭方法(MPAC)測量結果的一致性已被3GPP 認可。在2017年5月份結束的3GPP RAN4 會議上有正式批准的結論[4]。
2、雷達系統中的天線模型
和移動終端的全向天線不同，雷達系統的天線波束寬度一般為幾度至十幾度。雷達系統工作在搜索、跟蹤兩種模式時，需要對波束方向進行精確建模[5]。
傳統仿真系統中，主要側重於對雷達系統進行信號流級的仿真，即考慮信號傳輸路徑及信號處理結果，並不考慮天線的方向圖及指向性對雷達系統的影響。如VSS中，考慮目標的距離及速度，將收發天線簡化為增益模型，僅影響接收機獲得的信號電平。在這種系統仿真架構下，天線僅有部分指標(如反射係數、阻抗等)能夠和級聯的射頻系統發生關聯。
對於複雜的應用場景，需要考慮動平臺(如艦船、飛行器或戰車)及天線的位置信息。系統仿真軟體SystemVue提供了一個層次化的設計解決方案，即除了信號層面的分析以外，還可將相控陣雷達系統所處的動平臺的位置(如地心慣性坐標系)和速度信息、天線的位置信息等納入一併進行分析。這個平臺中，可以進行多目標、多站雷達的設定，也能夠進行多天線設定。
圖4、雷達系統三層仿真設置示意
在信號層中，設置天線的工作模式(搜索或者跟蹤)、天線方向圖等基本指標;在天線層中，設置雷達目標位置，以及雷達平臺的側傾角、俯仰角、偏航角，天線在雷達平臺中側傾角、俯仰角、偏航角;在軌跡層中，分別設置雷達收發平臺及目標的位置(經度、維度、高度)、指向、速度、加速度、運動軌跡等信息。通過在不同坐標系下進行轉換，將天線的方向圖及雷達平臺、目標的運動軌跡等信息進行綜合考慮。
可以以EW接收機測試的示例，來說明雷達的複雜應用場景。在場景中，EW接收機(EW Rx)用於監視空間中的四個雷達站。EW接收機的任務是檢測所有這些信號、識別每個信號，並對每個雷達站的位置、速度、時間波形和頻率內容進行整理。
圖5、EW接收機測試場景
為了測試EW接收機，必須產生測試信號，這並不意味著簡單的將多個時間波形進行疊加。由於EW接收機可能安裝在飛機、汽車或軍艦上，用於生成該測試信號的工具必須允許用戶指定EW Rx站的位置、速度、運動軌跡等。此外，對於每個雷達站，工具必須允許用戶指定其位置、速度、時間波形、頻率、天線工作模式等[6]。
如果需要對環境進行精確建模，信號層仿真軟體Simulink、SystemVue等就不能勝任了。使用專業的場景仿真軟體，如STK等，對目標姿態、環境進行建模，能夠獲得較為真實的目標特性。
如圖6中，使用SystemVue產生線性調頻脈衝信號源，並經過射頻發射路徑加入射頻器件的非線性、噪聲等因素，時域信號通過接口進入STK軟體。STK中預先定義外場地形地貌以及飛機運動軌跡、飛行姿態等指標。雷達處於跟蹤模式，儘量將波束照射到飛機上，而飛機則做出各種機動動作來規避雷達探測。整個場景的時域信號會返回到SystemVue軟體中，通過後處理程序來獲得雷達的檢測概率。
圖6、STK聯合仿真示意圖
3、結論
可見，在通信或雷達系統中，天線都不再以獨立的姿態出現，而和通信信道、雷達使用場景等緊密結合，共同作用。天線設計師及通信/雷達系統設計師如果能夠利用已有商業軟體及成熟理論，將天線的特性融入到系統設計中，能夠大幅度降低聯調風險，加快產品設計速度。
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