基于simulink使用射频模块集天线块对天线阵列的射频系统进行建模

一、前言

本 例 说明 如何 对 包括 天线 阵列 的 MIMO 接收 和 发射 RF 系统 进行 建模。该设计从单个RF链的预算分析开始，然后扩展到多个天线。RF Blockset 天线模块对天线阵列进行全波分析，支持对效应和缺陷进行高保真建模，并结合射频系统的仿真。

在 以下 部分 中， 您 将 从 RF 预算 分析 开始 设计 MIMO 接收 机。然后，您设计一个变送器并将两者连接起来。作为最后一步，这些模型用于发送和接收宽带100 MHZ OFDM信号，包括波束控制和时钟恢复。

二、MIMO 接收机系统

设计 MIMO 接收 机 （RX） 系统 时，首先 要 分析 单 天线 RF 链 的 预算。在本例中，输入信号以35GHz为中心，由有效各向同性辐射功率（EIRP）等于20 dBm的发射器（TX）产生，该发射器距离接收器100个波长。

RX阵列由八个偶极子天线组成，彼此相距半个波长。

假设 TX 天线与 RX 天线相似，并且位于同一仰角平面上，并且到达方向垂直于 RX 阵列轴。首先使用全波分析计算阵列增益，然后将单个天线增益近似等于整个阵列增益除以阵列中的元件数，在本例中为 8。

接收器链中的下一个元件是低噪声放大器。使用在中心频率插值的S参数计算放大器的输入阻抗。请注意，试金石文件还包括噪声数据。

接下来，使用在上一步中确定的放大器阻抗作为其余天线元件的负载来计算阵列中第一个天线元件的阻抗。

计算 TX 和 RX 之间的可用空间路径损耗。如果 TX 和 RX 未在同一阵列上完全对齐 法线 （DOA

0），8个接收到的信号具有不同的相位。为了相干地接收发射信号，需要相移将阵列波束与接收信号的到达方向对齐。相控阵系统工具箱中的相移波束形成器对象用于计算必要的相移。

定义RX链中第一个放大器级的三阶输出交调截点（以dBm为单位）。在RX系统中的每个链上包括一个额外的放大器级。

构建射频接收器元件的级联（行向量）：

• 天线由增益和阻抗定义，还包括 TX EIRP 和路径损耗

• 由 S 参数（包括噪声数据）和 OIP3 定义的低噪声放大器

• 由增益和噪声系数定义的IF解调器级

• 附加放大器级

• 用于波束成形的移相器

在命令行中键入命令以在 RF 预算分析器应用中可视化链。

请注意，应用程序工具trip的系统参数部分中显示的可用输入功率是通过将发射器EIRP减去路径损耗加上天线增益获得的。

三、为接收系统创建射频模块集模型

将上述级联导出为 RF 模块集™模型，并将其复制以创建八链 RF 系统。在 仿真 MIMO RX 系统 时， 通过 将 RF 预算 中 使用 的 单个 天线 元件 替换 为 完整 天线 阵列 来 捕获 天线 元件 之间的 耦合。这是通过将天线块与天线阵列对象一起使用来完成的。arrayRXObj

天线块的输入是接收信号，描述为归一化功率波拆分到两个

偏振分量。接收的功率波 RX 经过归一化，使得总功率为

.中的天线元件是 z 定向偶极子。这样的数组创建一个沿arrayRXObj

方向。假设TX天线阵列和RX天线阵列属于同一类型，则可以假设接收的信号是沿着

偏振分量。

由此产生的 RX MIMO 模型包括连接到代表 RX 系统的子系统的天线块，包括八个链：RF Receiver

注意，输入信号是一个三维阵列：第一维用于帧数据，第二维用于多载波信号，第三维用于提供两个极化分量。

在子系统的掩码下查看，显示了多链RF系统的结构。每条链的末端都有一个移相器，这样当信号组合时，阵列波束对准给定的到达方向。信号使用倒置威尔金森功率分配器进行组合。

在模型中测量第一链的输入（）和输出（）处传递的功率，并近似对应于预期值。接近使用 RF 预算分析器应用计算的分析所预期的值，如上所示。

仿真结果与预算分析计算的期望值之间的差异是由于单个RX链中天线元件的增益近似为天线阵列的增益除以8。这种近似忽略了有限阵列中不同天线元件接收的功率之间的差异。

关闭 RX 模型并继续对 TX 进行建模。

四、MIMO 发射机 系统

设计 MIMO 发射机 （TX） 系统，首先要对单个天线射频链进行预算分析。对于MIMO发射机系统，假设输入功率为-7.41 dBm，中心频率与接收机相同。

将 TX 天线设计为与 RX 天线相同。阵列方向使得离开方向垂直于阵列轴，并且与 RX 天线相比翻转 180 度。虽然由于沿z轴的对称性，这种旋转对当前阵列没有重要作用，但对于其他类型的天线可能很重要。

TX阵列与RX天线位于同一仰角平面上，出发方向沿阵列法线。使用全波分析计算TX天线阵列增益。天线之前TX的最后一级是输入和输出阻抗等于50欧姆的功率放大器。计算发射器第一条链的天线阻抗。

如果 TX 和 RX 未在同一阵列上完全对齐 （DOD

0），8个发射信号具有不同的相位。为了确保发射器将光束引导到接收器，使用了相移。使用相控阵系统工具箱中的相移波束形成器对象来计算将阵列波束与接收信号的到达方向对齐所需的相移。

定义功率放大器的增益和三阶非线性度。为TX天线阵列中的每个元件添加固定增益，并以dBm为单位定义三阶输出交调截点。

构建射频发射器元素的级联（行向量）：

• 用于波束成形的移相器

• 由增益和噪声系数定义的中频调制器级

• 由增益和OIP3定义的功率放大器

• 由增益和阻抗定义的天线

构造 TX 对象：rfbudget

在命令行中键入命令以在 RF 预算分析器应用中可视化 TX 链。

请注意，可用的输入功率是发射器的输入除以 8，因为八个链前面有 8 路分路器。此外，预算中的天线元件近似为具有阵列的增益。此假设允许将每个链的 EIRP 值相加，以获得系统的总 EIRP

五、为发射系统创建射频模块集模型

与接收系统类似，上述TX级联可以导出为RF模块集模型并复制以创建八链RF系统，将8个单独的天线替换为单个天线阵列。天线块的输出是传输的信号，被描述为分裂到两者上的功率波TX

极化分量并归一化，使得总发射功率等于

.您现在可以确认前面的假设，即大多数发射（和接收）功率与

偏振分量。

总归一化发射功率等于预算分析所预期的 20 dBm 的 EIRP 值。

关闭 TX 模型并继续将 TX 和 RX 组合在一起。

六、将 TX 和 RX 系统组合在单一模型中

要考虑整个通信链路行为，您可以将上述两个系统组合成一个模型。发射天线的输出通过表示天线之间理想路径损耗的增益块连接到接收天线的输入。可以使用更复杂的通道模型，例如包括淡入淡出效果。

使用在两个阵列之间传播的信号捕获TX和RX之间的远场相互作用，并且完全考虑了RF系统中的变化（例如波束控制相移变化或阻抗匹配）和天线（例如方向，元件或整个天线阵列的变化）中的变化的影响。

例如，更改 TX 数组，同时保持 RX 数组，如上所述。具体来说，旋转发射天线，使阵列轴沿z轴设置，偶极子平行于x轴。通过这种旋转，TX 功率仅在

极化，与RX天线的极化分量正交。

虽然发射器的EIRP保持在20 dBm的水平，但由于强烈的极化失配，重新运行整个通信链路的仿真显示接收功率为-188.3 dBm。

关闭组合的 TX 和 RX 模型，然后继续执行系统的时域仿真。

七、TX和RX组合系统的时域仿真

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上述所有型号都在射频系统上执行静态分析（谐波平衡）。但是，这些模型可以很容易地扩展以模拟系统的时域性能。以前，天线性能是在单个频率点计算的。要捕获天线的时域行为，请重新计算包含围绕中心频率的仿真频段的频段上的天线 S 参数。

请注意，新的天线计算结果保存在天线对象中，并由天线块用于估计它们在仿真频段内的时间行为。

时域仿真是在与先前模型具有相同结构的新模型中执行的。但是，正在传输的信号现在是OFDM波形，而不是单个音调信号。此外，从频谱分析仪发出的接收信号现在使用频谱分析仪进行测量，并进入执行基带解调的子系统，并计算接收的OFDM波形的EVM和MER

八、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。（版本过低，运行该程序可能会报错）

打开下面的“Example.m”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

程序下载：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87666473