波束成形的類型及其在RF PCB中的用途

您可以感謝電信界在技術(shù)詞典中提供MIMO和波束形成新的流行語。這兩個概念不是很好理解，并且密切相關(guān)。波束成形是擴大5G和WiFi 6 / 6E覆蓋范圍以及通過單個天線陣列提供多用戶訪問的關(guān)鍵。

RF系統(tǒng)中使用了不同類型的波束成形，這些波束成形又與系統(tǒng)運行時控制天線的方式有關(guān)。RF PCB中的所有類型的波束成形都依賴于使用天線陣列來將波束轉(zhuǎn)向所需的方向，并提供與最終用戶的半雙工通信。在無線鏈路的發(fā)送和接收端還實施了復(fù)雜的信號處理算法，以確保在通信過程中不會丟失與用戶的連接。

如果要向系統(tǒng)添加波束成形，則需要在三個方面取得成功：DSP，天線設(shè)計和布局以及組件選擇以最大程度地減小系統(tǒng)尺寸。我將討論最后兩個領(lǐng)域，因為波束成形和MIMO系統(tǒng)的DSP通常足夠廣泛，足以保證其擁有自己的教科書。

波束成形的類型

根據(jù)詢問的對象，您會被告知有兩種類型的波束成形。這些是模擬或數(shù)字形式，或者是開關(guān)和自適應(yīng)波束形成。然后，根據(jù)所使用的天線陣列的類型（線性，圓形，矩形等），被歸類為這些區(qū)域之一的任何事物都會再分為不同類別。這些不同類型的波束成形技術(shù)可用于掃描聲納，雷達（請參見上面的大型Duga-3相控陣），WiFi和5G中的MU-MIMO。

自適應(yīng)與切換波束成形

窮人的波束成形方法是簡單地使用RF開關(guān)在不同方向的天線之間切換發(fā)射信號。在現(xiàn)代系統(tǒng)中沒有做到這一點，現(xiàn)代系統(tǒng)現(xiàn)在將自適應(yīng)波束成形與相控陣天線一起使用。相控陣只是一組以規(guī)則間隔隔開的全向天線。通過控制到達不同天線的信號之間的相位差，可以在有限的范圍內(nèi)嚴格控制輸出波束的方向。來自每個天線的輻射會干擾產(chǎn)生具有高方向性的波瓣。類似地，通過跟蹤陣列中接收到的信號之間的相位差，控制器可以確定發(fā)射器的方向。具有MU-MIMO的系統(tǒng)可以使用子陣列來仔細跟蹤與給定陣列進行交互的用戶或用戶組。

模擬與數(shù)字波束成形

模擬和數(shù)字波束成形之間的區(qū)別僅是指與天線陣列連接的RF前端的設(shè)計?，F(xiàn)代系統(tǒng)涉及模擬和數(shù)字組件的某種融合，這被稱為混合波束成形。換句話說，這實際上取決于放置ADC / DAC部分的位置。

區(qū)分數(shù)字和模擬的主要因素是將相位延遲應(yīng)用于發(fā)送到每條饋線的信號的方式。對于雙工MIMO系統(tǒng)，可以說數(shù)字波束成形是減少組件數(shù)量并更精確地控制饋線之間的相位延遲的最佳選擇。模擬波束成形涉及使用一些模擬相位延遲線，而在數(shù)字波束成形中，通過簡單地延遲從收發(fā)器輸出的信號來施加延遲。

盡管波束成形社區(qū)喜歡嘗試區(qū)分模擬方法和數(shù)字方法，但這兩種類型的波束成形在RF前端都包含一個模擬部分，需要仔細設(shè)計以防止信號衰減。要考慮的主要因素是系統(tǒng)中模擬饋線和數(shù)字部分之間的隔離，然后與PCB疊層設(shè)計和天線放置有關(guān)。之前，我已經(jīng)討論過PCB疊層設(shè)計及其與信號完整性的關(guān)系，因此，我將重點介紹以下其他幾點。

元素之間的隔離

相控陣中的天線饋線需要彼此隔離以抑制模擬串?dāng)_。最簡單的方法是沿著表面饋線或布線在不同的層中放下保護通孔，在高GHz范圍內(nèi)，后者成為不好的策略。理想情況下，在同一層上路由所有內(nèi)容可在不同波束之間提供最精確的相位控制，因此您需要使用表面層上的元素來隔離天線。許多設(shè)計使用電子帶隙結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)布線（汽車雷達模塊是一個完美的例子）或基板集成的波導(dǎo)布線來提供所需的隔離度（最小20 dB是理想的）。

模擬和數(shù)字部分之間的隔離也很重要。屏蔽罐對于現(xiàn)代移動設(shè)備而言過于龐大，盡管它們在諸如無人機之類的設(shè)備中可能還不錯。除了與地面傾倒（例如在現(xiàn)代手機的PCB中）網(wǎng)格化一樣，天線的放置在這里也變得至關(guān)重要。

天線放置

天線陣列需要遠離數(shù)字部分放置，最好放置在帶有收發(fā)器/基帶芯片的自身板上（例如，在雷達模塊中），或者在板的邊緣（通常在WiFi路由器中）放置。這也將確定正確的接地策略，該策略應(yīng)設(shè)計成不會干擾模擬和數(shù)字部分。如果您非常小心，則可以采用具有多個接地層的偽星形接地方法，以提供清晰的返回路徑。

無論您要在下一個系統(tǒng)中使用哪種類型的波束成形，正確進行設(shè)計都需要一些專業(yè)知識，以最大限度地提高功率輸出，確保隔離并最大程度地降低RF系統(tǒng)的功耗。當(dāng)您要設(shè)計一個可以在高頻下工作的高級射頻系統(tǒng)時，與合適的設(shè)計公司合作是一個起點。