概述

相控阵仿真是无线信道仿真仪的一个重要应用场景，其利用无线信道仿真仪的物理端口代替相控阵的阵子（单元），使用传导的方式连接通信双方的射频模块来模拟外场的相控阵功能。基于5G的Massive MIMO场景中就包含相控阵的仿真。如果需要单独仿真相控阵功能，或者需要基于相控阵进行额外的原理验证与仿真，例如测向、定位、波束赋形和跳波束等，就需要使用操作与配置更加灵活的组网型号的无线信道仿真仪。

图1 KSW-WNS02B型64通道组网无线信道仿真仪

两种类型的无线信道仿真仪

图2 两种类型无线信道仿真仪拓扑示意图

目前业内有两种类型的无线信道仿真仪：一种用于MIMO通信场景，一种用于多节点组网仿真场景，两种类型的仿真仪都可以进行相控阵仿真。坤恒顺维公司可以提供基于MIMO型号和基于组网型号两种类型的无线信道仿真仪。如上图所示，两种仿真仪在硬件配置上完全相同，区别在于固件版本（FPGA版本）。以8端口为例，配置完成拓扑后，假设基于MIMO固件型号的无线信道仿真仪配置4*4拓扑结构，其发射端口之间是不能互通的；基于组网固件型号的无线信道仿真仪在固件设计时默认可以配置任意两个端口之间的互联互通与关闭。因此，基于上述分析，MIMO型号仿真仪是组网型号仿真仪的一个特殊版本。由于两种类型仿真仪的硬件相同，坤恒顺维公司可以基于一台硬件适配两种固件型号从而为用户提供更加灵活广泛的使用场景。5G基站中的大规模天线阵列中就包含相控阵，但是由于其和波束赋形、空分复用和蜂窝网络等技术相结合，导致单独测试相控阵时缺少灵活性，因此基于组网的仿真仪由于端口拓扑配置的便捷性，经常用来单独测试相控阵的各种应用。

相控阵仿真

相控阵通过对信号相位或者时延的控制处理以达到其通信、检测、测向定位等目的。无线信道仿真仪经过自校准后，其拓扑中的各个端口之间不存在额外的附加增益（功率增益、相位增益和时延增益），如果用户根据自身需要通过建模的方式配置上述三种增益即可实现相控阵的仿真。

相控阵仿真原理

图3 均匀线阵平面波到达示意图

假设接收天线为线阵，如上图所示，远场存在待测设备P，考虑平面波条件下，相控阵天线可以通过调节阵子相位来协调工作。假设阵子间距为d，待测设备相对于相控阵天线的空间角为Ω（球面坐标系可以理解为水平角度和垂直角度），以首阵子作为参考，则阵子之间的路程差可以表示为：

阵子之间的相位差可以表示为：

假设阵子的初相为ejφ0，各个阵子附加的相位序列可以表示为：

如果考虑天线方向图对远场P点的影响，则天线端口的附加幅相响应序列H可以表示为：

图4 两阵元远场波程差示意图

如上图所示，假设两个阵子之间的间距为d，来波的空间角为α，可以计算得到波程差为

由波程差带来的到达时间差可以表示为：

其中c表示光速。整理上式，

表示的是根据真实的来波角度和天线阵子间距，由于时间误差带来的估计角度误差。假设中心频率为2.6GHz，天线间距分别为0.5、0.8和1倍波长，可以得到下图：

图5 每纳秒时延误差导致的角度估计误差

上图蓝色曲线表示了在2.6GHz频点时，0.5倍的波长间隔相控阵仿真，当实际来波角度为20°时，误差是5.5°/ns，即表示阵子间时延误差（无线信道仿真仪端口时延误差）1ns，会引起5.5°的估计误差。

同理，如果考虑波程差带来的相位差：

令α对△φ求偏导

上式表示的是根据真实的来波角度和天线阵子间距，是由相位误差带来的估计角度误差。假设中心频率为2.6GHz，天线间距分别为0.5、0.8和1倍波长，可以得到如下图所示：

图6 每度相位误差导致的角度估计误差

上图蓝色曲线表示了在2.6GHz频点时，0.5倍波长间隔的相控阵仿真，当实际来波角度为20°时，误差是0.33°/1°，即表示阵子相位误差（仿真仪端口相位误差）1°，会引起0.33°的来波角度估计误差。

相控阵仿真应用

信道建模软件DMT可以支持用户配置相控阵的阵子排列（线阵、面阵或圆阵等）实现相控阵仿真测试。同时支持仿真仪端口之间的相位、时延等自定义配置，以满足用户灵活多变的相控阵测试需求。

图7 DMT信道建模软件相控阵配置界面

相控阵测向应用

用户使用DMT信道建模软件配置相控阵的阵元位置和被测试设备的方位后，DMT软件会自动计算远场被测设备在相控阵上形成的相位序列并配置给无线信道仿真仪的物理端口，测向设备根据相控阵的相位数据完成测向功能。DMT软件支持被测设备的移动功能，用来仿真动态测向，如下图所示。

图7 DMT信道建模软件被测设备动态配置界面

当使用DMT软件配置3个通信站点，其中设置两个测向设备后，如下图所示，用户通过对两个测向设备测向结果的联合处理，可以实现被测设备的定位功能。

图7 DMT信道建模软件被测设备动态配置界面

相控阵波束赋形应用

无线信道仿真仪校准后，用户可以实时控制改变无线信道仿真仪的端口相位差以实现相控阵的波束扫描功能。以8*8的相控阵为例，考虑阵子的方向图，用户通过改变垂直阵子之间的相位差，可以实现方向图的电下倾功能，如下图所示。

图8  8*8阵子单元电下倾角示意图

相控阵跳波束应用

针对卫星通信跳波束应用，无线信道仿真仪需要模拟跳波束卫星和地面终端之间波束指向快速切换功能。非实时仿真时，需要预先将波束信息存到信道仿真仪缓存中，进行离线生成实时加载的方式支持快速波束切换仿真；实时仿真时，通过增加信令转发板和万兆以太网高速接口，实时转发控制信令，可以达到波束切换仿真时长不受限制的目的。基于无线信道仿真仪的跳波束应用成功解决了卫星和终端跳波束通信在实验室测试的难题，可以快速完成卫星跳波束切换性能验证。

图9 卫星通信跳波束示意图

总结

相控阵仿真在卫星通信和5G移动网络的高速率数据通信中发挥着重要作用。无线信道仿真仪能够有效仿真和评估相控阵的各种应用场景，为工程师们节省产品的开发时间和成本。本文介绍了两种型号无线信道仿真仪在不同的应用场景所发挥的作用，相控阵仿真的原理以及对误差的分析，最后阐述了无线信道仿真仪在相控阵仿真的典型应用，满足多样的测试需求。