天线仿真：接收机输入端重现了什么

JED 2025年1月技术深读｜Dave Adamy｜原刊第42至44页

实验室里，一台信号发生器已经可以向接收机送入射频信号，为什么还要增加天线仿真？因为接收机在真实环境中接到的信号，已经经过天线的方向性与增益作用。把天线移出测试链路以后，这些影响仍然需要有清楚的表达。

Dave Adamy在2025年1月的EW 101专栏中，以抛物面天线和雷达告警接收机天线为例，解释天线仿真如何把空间关系转为接收端的信号特征。这篇深读沿着原文的思路，讨论幅度、角度、频率、时间及多通道关系，说明一项仿真结果究竟覆盖了哪些物理因素。

先确定仿真替代的是哪一段

原刊图1把真实接收过程与仿真过程并列画出。真实情况下，不同来源的信号从不同方向到达天线，天线再把接收信号交给接收机。仿真情况下，发生器与天线仿真部分共同形成输入，向接收机呈现天线本来会造成的影响。两个过程对照的基点，是接收机所接到的信号。

因此，图中的天线仿真是一种在输入端表现天线作用的方法。它并没有要求实验室中再摆一副完全相同的天线，也不意味着只要输入信号相似，就已经测量了真实天线的所有特性。天线模型如何得到，与接收机在模型条件下如何响应，属于相互关联的两项工作。

图1　真实接收过程与输入端仿真的对照。来源：原刊第42页图1，Dave Adamy；从原PDF矢量区域提取，图形与英文标注保持原样。

这一边界对解释结果很重要。若测试在接收机接口注入信号，结论直接覆盖的是该接口之后的响应，以及模型已经包含的因素。真实天线本体、安装环境或模型没有表达的特性，需要相应的其他证据。本文在这里作的是测试范围的编辑解释，而不是为原文增加某种设备的性能结论。

图中还有一个容易被忽略的输入：天线控制。Adamy说明，这项功能并非存在于所有系统；存在时，可能表示旋转天线或选择不同天线。仿真器需要知道相应状态，才能理解“此刻的波束轴”所指向哪里。

峰值增益与方向图，分别说明什么

原文首先介绍增益与方向性。波束轴是该例中天线主波束最大增益的方向；方向图则描述偏离这一方向后，增益如何随角度变化。峰值告诉人们参考水平，方向图告诉人们空间变化。仅知道其中一个，仍不足以完整表达本文所讨论的幅度作用。

这里的“天线增益”也不宜直接想象成一台有源放大器额外产生功率。Agilent的《MIMO信道建模与仿真测试挑战》从相对于参考天线的角度说明增益，并把三维空间中的方向变化与二维截面图分开介绍。该资料可帮助理解原文用词，但不能据它替原刊未写明的参考单位补上定义。[2]

Adamy在开头举出了较宽的增益数值范围，用来说明不同天线、尺寸和频率之间的差别。这是一段概念介绍，原文没有给出覆盖所有天线类型的统计表，也没有在这些数值旁完整规定参考基准。因此，本文不把它改写成统一的产品选型边界。

更常见的阅读问题，是把归一化方向图上的0 dB当成天线的绝对增益。归一化图通常把所选峰值作为零点，其他位置显示相对于这个峰值的差异。它回答的是“比峰值低多少”，并不独自给出峰值相对于各向同性参考天线是多少。

读方向图时，先看零点和角度的含义

原刊图2包含主瓣、旁瓣、波束轴、3 dB波束宽度，以及某个偏置角对应的幅度变化。横轴是相对于波束轴的到达方向，纵向画出增益变化。图中没有提供某型天线的完整测量数值，因此它适合解释关系，而不适合直接读取具体产品的性能。

图2　原刊第43页图2的方向图示意。图中的3 dB波束宽度跨越主瓣两侧；旁瓣与衰减箭头用于解释模型，不能作为某型天线的实测曲线。

3 dB波束宽度，指主瓣两侧相对峰值下降3 dB位置之间的角宽。在功率口径下，下降3 dB约对应峰值的一半。这里的“一半”修饰功率，不能不加区分地转述为电压振幅减半；图中的宽度也不是从轴线到单侧边缘的半个角度。

若只想表达同一频率、同一截面内相对于轴向峰值的变化，可以把方向图写成一个简单的归一化关系。下面的式子是对图义的编辑表达，用来明确参考点与符号，并非原刊给出的某型仿真器控制公式。

其中，α是该截面内相对波束轴的角度，f是频率；两个G采用同一参考基准、以分贝表示，g_rel表示相对轴向值的分贝差。当α为0时，相对值为0 dB；在本文以轴向为峰值的示意条件下，其他方向的相对值不大于0。该关系只描述幅度方向图，不包含相位、极化或完整三维特性。

实测方向图与简化模型，各有用途

Adamy说明，抛物面天线的方向图可以通过在电波暗室中旋转天线测得，再存成角度与增益的数字资料。这里有两层工作：测量提供对真实对象的观察，模型决定仿真采用怎样的表达。把曲线存进文件，并不会自动消除测量条件和模型选择之间的差别。

原文特别提到旁瓣：真实天线的旁瓣幅度并不整齐一致，而在仿真中，旁瓣幅度常按规定的旁瓣隔离度设置为固定水平。这是一项明确的简化。它便于表达主瓣与旁瓣水平的关系，但会舍去真实旁瓣之间的差别。

评价这种简化，应当联系测试想观察的现象。若关注的是接收端随主瓣扫过而出现的总体变化，简化模型可能提供有用的对照；若结论涉及不同旁瓣之间的细节，模型中是否保留这些差别就成为关键。这里的“可能”是对模型用途的分析，实际适用性仍取决于具体测试。

因此，资料说明最好同时告诉读者，曲线是测量得到还是按规则构造、采用了哪些频率条件、保留了什么方向范围。主瓣形状清晰，并不能替这些信息作答。把简化公开说明，反而能让仿真结果得到更准确的解释。

平面方位角，不一定就是空间夹角

在抛物面天线的例子中，原刊用一个平面示意信号方位与天线轴线的关系。这个画法便于看清偏置角，却只是一个截面。作者紧接着转向雷达告警接收机的例子，提醒读者，平台姿态与不同方向的信号会把问题带入三维空间。

原文讨论的这类天线采用围绕波束轴的圆锥对称近似。决定幅度变化的是信号方向与波束轴在空间中的真实夹角。如果只知道水平面上的方位差，却没有考虑另一方向的变化，就可能把二维投影误当成三维关系。

图3　原刊第44页图5：波束轴与信号方向之间的空间夹角。作者用它说明相对位置与载体姿态共同影响方向关系，图中没有给出具体装备的数值。

一个便于理解的编辑类比，是观察固定位置的灯和可以倾斜的相机。灯的位置未变，相机镜头的朝向变化后，灯相对于镜头轴线的角度仍会改变。这个类比只解释方向关系，不把光学器材的性能等同于射频天线。

在多天线接收系统中，同一来源相对于不同天线轴线的方向关系也可能不同。Adamy因此谈到，每副天线对应自己的仿真输出。增加通道的意义在于保留各输入之间应有的区别，而不只是把同一条输出简单复制几份。

这一段的重点是坐标与模型保持一致。描述一个角度时，要知道它相对于哪根轴、处于哪个截面，或者是否已经表示空间夹角。漂亮的方向图和清晰的角度数字，只有在同一参照关系下组合，才具有可以解释的意义。

方向图的形状，还要与频率条件一起读

原文在雷达告警接收机天线例子中指出，轴向峰值增益会随频率显著变化，同时用一条近似斜率曲线说明角度方向上的变化。这意味着，峰值怎样随频率变化，与归一化形状怎样随角度变化，是两项需要分别保留的信息。

如果两条方向图都把自身峰值设为0 dB，它们看起来可能很接近，却不能仅凭这点判断两种频率条件下的轴向水平相同。归一化方便比较形状，也会主动去掉某些绝对水平信息。读图时需要知道这项处理做了什么，剩下的曲线才能被正确使用。

Adamy还以从波束轴到90度按固定分贝量随角度下降的曲线解释这一类近似，并描述了其例子中超过该角度后忽略相应输入的处理。这里应当保留“例子”和“近似”的限定：图4表达一种模型思路，不能据此断定所有实际天线都有同样的斜率、截止边界或频率特性。

对仿真结果来说，最有用的说明通常不是一句“采用真实方向图”，而是这句话后面具体指向哪一组资料。频率条件、角度定义、参考水平与简化范围，决定读者能否把模型和被讨论的接收场景对应起来。

多个来源，除了幅度还带来时间关系

原文提到，一些系统可以用一台射频发生器表现多个在时间上不重合的来源。这里的限定十分具体：作者讨论的是非同时出现的信号，常见于脉冲或低占空比情形。不能把它直接转述成“一台发生器能够重现任意数量、同时到达的信号”。

在这种安排中，仿真部分需要知道当前对应哪个来源，并有足够时间准备相应状态。它说明，场景中的来源标签、信号出现时刻和所采用的天线作用，必须彼此对应。仅在静态表格里列出正确幅度，还没有说明这些幅度是否在正确时刻作用于正确对象。

本文由此作一项编辑解释：静态方向图回答某个条件下的幅度关系，动态场景还包含这些条件怎样随时间变动。二者可以分层说明。把它们分开，有助于理解差异来自模型曲线本身，还是来自场景状态与输出之间的对应关系。

原刊没有给出具体发生器的可用通道数、切换速度或时序误差指标。它提供的是理解结构所需的关系，不能替某台仪器证明同时信号容量，也不能仅凭这篇专栏断定某项动态测试已经覆盖全部变化。

幅度关系正确，相位关系仍是另一项要求

文章最后讨论利用两个天线之间相位差的测向系统。对这类接收原理，输入端除了要表现各通道的幅度，还必须表现通道之间的相位关系。两路信号强度一样，并不意味着它们携带的相对相位也符合所要表达的场景。

Adamy用两类安排说明复杂度的差别：连续变化的相位关系要求较复杂的仿真；某些测试则只针对单一到达方向，用固定的电缆关系表达相应相位。后一类安排具有明确的测试范围，不能把对单个条件的验证推成对所有方向变化的覆盖。

NI在2017年的相干射频测量白皮书中，也把多通道同步与通道间相位偏移分开讨论。它展示的例子说明，通道保持稳定的相位关系，并不自动意味着它们的相位差为零。本文只借此澄清“相干”与“同相”的概念区别，不沿用其中某台仪器的数值作为普遍指标。[3]

这使“仿真了天线”成为一句需要展开说明的话。对于关注幅度响应的接收功能，幅度模型是核心信息；对于利用多通道相位关系的功能，还要看相位这一维是否被表达。测试结果应当与它实际包含的信息维度相匹配。

怎样理解一份天线仿真结果

沿着原文读下来，仿真可信度并不只由曲线精细程度决定。输入边界决定测试覆盖哪一段；参考水平和方向图决定幅度怎样解释；空间关系决定角度是否对应；时间与多通道关系决定场景能否在各输入端保持一致。它们共同构成结果的上下文。

下面这张表是对文章的编辑归纳。它把常见材料分别放回所能支持的判断，帮助读者理解证据的用途。表格不是仪器操作程序，也不要求任何一次测试同时完成所有类型的验证。

表1　材料所能说明的内容，与进一步判断所需的信息

让仿真结果回到明确的物理关系

Adamy这篇专栏从接收天线开始，逐步引出模型、几何、时序和相位。它的启发在于，仿真需要明确说明自己保留了真实系统的哪些关系，以及这些关系如何体现在接收机输入端。

当这些说明足够清楚，简单模型也能够支持范围明确的判断；反之，即使输出复杂、通道很多，缺少参考条件和模型依据，读者仍难以理解结果。真正有价值的技术表达，是让模型、输入与结论能够相互对照。

资料来源与说明

[1] Dave Adamy：Electronic Warfare Simulation (Part 7) – Antenna Emulation，JED，2025年1月，EW 101，第42—44页。三幅配图对应原文图1、2、5。

[2] Agilent Technologies：MIMO Channel Modeling and Emulation Test Challenges，应用说明5989-8973EN，2010年1月22日，第32—33页“Antenna gain and pattern”。

[3] National Instruments：Configuring Phase-Coherent RF Measurement Systems: From MIMO to Beamforming，2017年8月11日，4页白皮书。