PAGE59HAPS天線模型與通信覆蓋性能評(píng)估模型化熱分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u178351.1有源天線系統(tǒng) 1295454.1.1有源天線系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 1160251.集成度高，天面要求低，便于快速安裝 2280892.具有一定的自我修復(fù)能力 2175303.系統(tǒng)覆蓋和容量的明顯提升 244221.2HAPS天線模型 2326151.2.1天線輻射方向圖 382911.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題 61301.2.3HAPS天線模型仿真分析 8182731.3HAPS通信覆蓋性能評(píng)估 9每種類型的無線服務(wù)都需要一個(gè)專門設(shè)計(jì)的天線。該服務(wù)的規(guī)范決定了天線的功率輸出，頻率和輻射圖。天線的“輻射圖”描述了天線在一個(gè)三維區(qū)域內(nèi)發(fā)送或接收的所有電磁能量的相對(duì)長(zhǎng)度。一個(gè)“定向天線”在單一方向上發(fā)送無線電信號(hào)，當(dāng)信號(hào)源需要與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)使用定向天線。當(dāng)多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)形成一排時(shí)，也可使用定向天線。相比之下，“全向天線”以同樣的強(qiáng)度和清晰度在所有方向上發(fā)射和接收無線信號(hào)。當(dāng)許多不同的接收器都必須能夠獲得信號(hào)時(shí)，或者當(dāng)接收器的位置不固定時(shí)，就會(huì)使用這種天線。無線信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要考慮因素是天線能夠傳輸信號(hào)的距離，同時(shí)也要使信號(hào)足夠強(qiáng)，能夠被接收器清楚地解讀。1.1有源天線系統(tǒng)有源天線系統(tǒng)和無源天線系統(tǒng)的區(qū)別，源天線內(nèi)部一般只包括接收天線模塊，而有源天線內(nèi)部包括了低噪聲放大模塊，接收天線模塊，電源供給模塊。如果晶體三極管，隧道二極管，變?nèi)荻O管等有源器件存在于只含有金屬和介質(zhì)的普通天線中，那它就將成為有源天線。普通天線加上有源器件，可以提高小天線的阻抗，拓寬頻帶，改善系統(tǒng)的噪聲特性，所以有源天線有助于實(shí)現(xiàn)天線小型化[22]。有源天線內(nèi)部有一個(gè)集成的接收天線模塊，一個(gè)電源供給模塊和一個(gè)低噪聲放大模塊。有源天線中的有源器件可以在線性和非線性情況下工作，互易原理適用于前者，但不適用于后者。移動(dòng)通信系統(tǒng)中的有源天線是將基站的射頻部分集成到天線內(nèi)，利用多通道射頻配合天線陣列實(shí)現(xiàn)空間波束賦形，完成射頻信號(hào)的發(fā)射和接收。每個(gè)有源單元除了輻射或接收電磁信號(hào)外，還作為電路的一部分，具有諧振，濾波，功率放大等功能。有源天線系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)通常有源陣列天線由多個(gè)分布式收發(fā)單元和輻射模塊組成，每個(gè)輻射模塊的頻率，幅度，相位可控，能形成單個(gè)或多個(gè)波束，并可控制波束指向及波束重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大角度范圍內(nèi)的靈活掃描。有源天線系統(tǒng)具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。集成度高，天面要求低，便于快速安裝有源天線基站將射頻單元集成于天線內(nèi)部，與當(dāng)前使用RRH(Remoteradiohead)的分布式基站相比，節(jié)省了安裝空間，降低了對(duì)天面資源的要求。高度集成產(chǎn)品易于安裝和更換，節(jié)省工程時(shí)間和勞動(dòng)力成本。具有一定的自我修復(fù)能力有源天線具有分布式多通路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的冗余備份功能，整個(gè)扇區(qū)并不會(huì)因?yàn)閹讉€(gè)天線陣子的失效而喪失通信功能。該系統(tǒng)還會(huì)在檢測(cè)到陣子的故障后，調(diào)整剩余陣子的幅值和相位來補(bǔ)償增益損失，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償功能。如果天線故障后不進(jìn)行補(bǔ)償，天線方向與以前相比有固定的位移和增益損耗，補(bǔ)償后的天線方向得到明顯改善。當(dāng)然，系統(tǒng)的有效全向輻射功率（EIRP，effectiveisotropicradiatedpower）和接收信號(hào)的電平都有一定的損耗，不能完全補(bǔ)償。系統(tǒng)覆蓋和容量的明顯提升由于每個(gè)有源天線陣列具有獨(dú)立的收發(fā)機(jī)單元，所以可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度和相位的獨(dú)立控制，并且具有靈活的電子傾斜調(diào)整功能。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，大大提高了覆蓋和系統(tǒng)的容量。有源天線可以通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)更多的附加功能，如天線的垂直維度波束分配、空分多址、天線方向圖的自愈等。在時(shí)分、頻分和碼分的基礎(chǔ)上，有源天線通過有源天線的垂直維度波束控制功能增加了空分的靈活性，以滿足日益迫切的提高頻譜利用率的需求[21]。1.2HAPS天線模型波束成形天線由一個(gè)天線陣列組成[23]。組成其的輻射單元，均位于y-z平面，有固定的間距和相同的輻射模式。天線總增益是陣列增益和單元增益的對(duì)數(shù)形式的和。波束賦形天線模型采用ITU-RF.BroadbandHIBScharacteristics參考建議書模型，天線陣列幾何模型如圖4-1所示。輻射單元在x-y平面表示水平面的直角坐標(biāo)系中沿垂直于z軸的方向均勻放置。θ表示信號(hào)方向的仰角，范圍為從0°到180°，90°表示信號(hào)仰角垂直與陣列天線的孔徑；φ表示信號(hào)的方位角，范圍為-180°到180°。圖4-1天線陣列模型該系統(tǒng)將主動(dòng)控制饋送到天線陣列中的各個(gè)天線元件的獨(dú)立信號(hào)，以便形成天線發(fā)射圖并將其定向到所需的方位，例如朝向用戶的窄波束。由于發(fā)射機(jī)的OOB調(diào)制、互調(diào)，以及雜散發(fā)射所引起的不需要的信號(hào)，不會(huì)在天線發(fā)射過程中經(jīng)歷相同的相關(guān)情況，并且將具有不同的發(fā)射模式。1.2.1天線輻射方向圖天線陣子水平方向輻射模型：AE,H天線陣子垂直方向輻射模型：AE,V由式(4-1)和式(4-2)可以得到天線陣子三維輻射模型：AEφ,θ式中數(shù)據(jù)可以參考表4-1。表4-1天線參數(shù)天線參數(shù)單個(gè)元件/度的水平3dB帶寬φ80單個(gè)元件/度的垂直3dB帶寬θ65前后比A30旁瓣抑制比SLA30元素增益G6天線陣配置（行*列）10*20水平/垂直輻射單元間距（d/λ）0.5圖4-2為AE,Hφ和圖4-2天線陣子水平輻射圖和垂直輻射圖圖4-3為天線陣子三維輻射圖：圖4-3天線陣子三維輻射圖陣列合成方向圖AAθ,φAAθ,φ其中，θ和φ分別為仰角和方向角，NH和NV分別為波束賦形天線陣列的垂直以及水平個(gè)數(shù)。Vn,m被稱為超級(jí)位置矢量，可以理解為由于相移產(chǎn)生的導(dǎo)向矢量；W超級(jí)位置矢量Vn,m和權(quán)重Wn,mVn,mn=1,2,…NV；m=1,2,…Wn,m=n=1,2,…NV；m=1,2,…其中，dHdV分別為陣列單元之間垂直與水平分布距離，單元間距dλ為0.5，復(fù)合陣列輻射模式表達(dá)式為：AAθ,φ其中ρ為相關(guān)系數(shù)，當(dāng)ρ=1時(shí)，輻射方向圖簡(jiǎn)化為公式(4-4)，當(dāng)ρ=0時(shí)，陣列方向圖與陣子方向圖相同，即沒有任何陣列增益：AAθ,φ以上公式的角度均為相對(duì)于垂直方向放置的天線陣列的角度，若天線陣列本身有物理下傾角，可以按照如下公式進(jìn)行角度切換：θ'=arccoscosφ'=argcos圖4-4角度轉(zhuǎn)換將水平方向角和垂直方向角進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可以帶入公式計(jì)算增益的角度。1.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題坐標(biāo)系由x，y，z軸，球面角和球面單位矢量定義，如圖4-4所示。圖4-4定義了笛卡爾坐標(biāo)系中的仰角和方位角。圖4-5笛卡爾坐標(biāo)系中球面角和球面單位向量一個(gè)全球坐標(biāo)系（GCS，GlobalCoordinateSystem）被定義為由多個(gè)基站(BaseStation)和用戶終端(UserTerminal)組成的系統(tǒng)，在一個(gè)本地坐標(biāo)系（LCS，LocalCoordinateSystem）中可以定義一個(gè)基站或終端的陣列天線。本地坐標(biāo)系被用來定義陣列中每個(gè)天線元件的矢量遠(yuǎn)場(chǎng)的參考，矢量遠(yuǎn)場(chǎng)即模式和極化。假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)在本地坐標(biāo)系中是通過公式計(jì)算出來的，陣列在全球坐標(biāo)系中的位置可由全球坐標(biāo)系和本地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換來定義[24]。陣列相對(duì)于全局坐標(biāo)系的方向通常由一連串的旋轉(zhuǎn)來定義。由于這個(gè)方向通常與全局坐標(biāo)系的方向不同，所以有必要將陣列元素的矢量場(chǎng)映射到全局坐標(biāo)系，這種映射只與陣列的方向有關(guān)，而且陣列的任何任意機(jī)械方向都可以通過這種方法，指相對(duì)于全球坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)本地坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)。圖4-6通過三個(gè)旋轉(zhuǎn)順序確定LCS(藍(lán)色)相對(duì)于GCS(灰色)的方向從全球坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到本地坐標(biāo)系是一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的過程，繞z，y，x旋轉(zhuǎn)得到本地坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)矩陣如式4-11到4-13所示：RxRyRz需要注意：首先，坐標(biāo)是從全球坐標(biāo)系向本地坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)于旋轉(zhuǎn)方程而言，是旋轉(zhuǎn)矩陣乘以全球坐標(biāo)得到本地坐標(biāo)。然后對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度的符號(hào)，沿著坐標(biāo)軸正向看，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)符號(hào)為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)符號(hào)為負(fù)。1.2.3HAPS天線模型仿真分析圖4-7七面臺(tái)天線增益圖4-7為七面臺(tái)天線增益仿真圖，仿真數(shù)據(jù)參考表4-2。仿真結(jié)果中可以看到有明顯的七個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)七面板天線的一個(gè)面板。仿真時(shí)建立全球坐標(biāo)系，利用外層天線面板下傾角求出六個(gè)外層天線面板中心波束與地平面交點(diǎn)，建模時(shí)，利用終端坐標(biāo)與中心波束點(diǎn)間距離判斷此終端接入哪個(gè)天線，選擇波束中心點(diǎn)與當(dāng)前終端距離最近的天線波束接入。全球坐標(biāo)系被分為七個(gè)部分，每一部分對(duì)應(yīng)各自的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣，并且接入對(duì)應(yīng)的天線面板。表4-2仿真參數(shù)天線參數(shù)HAPS高度（km）22地球半徑（km）6370載頻（GHz）3外面板下傾角（°）20波束1中心位置（0,0,6370）波束2中心位置（61.3,0,6369.7）波束3中心位置（30.6,53.0,6369.7）波束4中心位置（-30.6,53.0,6369.7）波束5中心位置（-61.3,0,6369.7）波束6中心位置（-30.6,-53.0,6369.7）波束7中心位置（30.6,-53.0,6369.7）1.3HAPS通信覆蓋性能評(píng)估HAPS覆蓋能力與HAPS飛行高度、HAPS鏈路的損耗模型以及HAPS天線模型密切相關(guān)。信號(hào)由發(fā)射端到接收端的過程中，由于受路徑損耗的影響，到達(dá)接收端的功率會(huì)隨著路徑損耗的變化而減??；同時(shí)在天線作用下，相應(yīng)天線覆蓋區(qū)域會(huì)疊加上一個(gè)天線增益，二者共同作用，最終影響接收端的接收功率[25]。可以通過下式對(duì)HAPS的通信覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估分析：P=Ptx其中，Ptx表示HAPS平臺(tái)發(fā)射功率，Ptx,a表示平臺(tái)陣列天線的增益，PL表示通信鏈路的路徑損耗，1.3.1HAPS通信覆蓋性能仿真分析圖4-8終端接收功率熱力圖上圖4-8為根據(jù)式（4-4）計(jì)算得出的HAPS終端接收功率熱力圖，仿真參數(shù)參