毫米波波束成形和天線設(shè)計(jì)

在本文中，我將介紹毫米波（mmW）波束成形和天線技術(shù)的各個(gè)方面以及我認(rèn)為有趣和獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例。

波束成形

波束形成網(wǎng)絡(luò)（BFN）用于將來(lái)自小天線的信號(hào)組合為比單獨(dú)的每個(gè)單獨(dú)天線更具指向性的模式，這是因?yàn)?/span>陣列因素。波束形成器用于雷達(dá)和通信。一個(gè)雷達(dá)例子是一個(gè)線性陣列，能夠?yàn)槠?chē)?yán)走_(dá)提供四個(gè)方位角的波束;一個(gè)通信實(shí)例是二維波束形成器，用于衛(wèi)星覆蓋多個(gè)地點(diǎn)的廣闊地面區(qū)域。

BFN可以提供同時(shí)波束覆蓋，如衛(wèi)星或單點(diǎn)覆蓋，就像經(jīng)典的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)一樣。可以使用光束控制計(jì)算機(jī)控制將光束固定在設(shè)計(jì)中或自適應(yīng)。

主要有兩種相控陣波束形成網(wǎng)絡(luò)：無(wú)源電子可控天線（PESA）和有源電子可控天線（AESA）。是德科技的Sangkyo Shin博士在波束成形中觀看此視頻：

布魯克林5G峰會(huì)

用戶設(shè)備（UE）中的5G，例如終端用戶與網(wǎng)絡(luò)通信所使用的任何設(shè)備，現(xiàn)在是一個(gè)非常熱門(mén)的話題。諾基亞和紐約大學(xué)Tandon工程學(xué)院的紐約大學(xué)無(wú)線研究中心剛剛在4月底完成了第5屆布魯克林5G峰會(huì)（B5GS），其中兩個(gè)關(guān)鍵議題是英特爾的5G mmWave相控陣列和Qualcomm的5G UE相控陣設(shè)計(jì)。

Qualcomm高級(jí)技術(shù)總監(jiān)Ozge Koymen為5G UE相控陣設(shè)計(jì)演示做了演示，并討論了這方面的挑戰(zhàn)，例如：

• 快速切換和建立時(shí)間

• 最大限度地減少PA效率和熱性能方面的損失

• 最大限度地降低預(yù)先LNA損耗以改善鏈路預(yù)算

• UE中的空間限制

• 降低成本

• 兩種極化的球面覆蓋

在本節(jié)中，我們將處理UE器件面或邊緣設(shè)計(jì)選項(xiàng)以獲得兩種極化的球面覆蓋。Qualcomm討論了手持設(shè)備的前后天線模塊（圖1）。

圖1前后天線模塊（圖片由Qualcomm提供）

科門(mén)建議使用多個(gè)模塊將有助于減少手阻塞并降低方向的影響（圖2）。

圖2UE中的手阻塞（圖片由Qualcomm提供）

在手持式UE設(shè)備中，有兩種流行配置，即臉部設(shè)計(jì)或邊緣設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3手持式UE設(shè)備的兩種流行配置（圖片由Qualcomm提供）

Koymen討論了使用兩個(gè)具有2×2 x-pol（交叉極化7）平面陣列，1×2和2×1偶極陣列以及使用三個(gè)模塊的邊緣設(shè)計(jì)的模塊的建議面設(shè)計(jì)，所述模塊具有單個(gè)4×1 x-pol平面陣列。

考慮到多種類(lèi)型的波束形成架構(gòu)，Koymen評(píng)論說(shuō)，采用了設(shè)備沿所有方向的最大比率合并（MRC）設(shè)計(jì)。他認(rèn)為這是樂(lè)觀的設(shè)計(jì)，上限方案;基于RF /模擬波束碼本的24個(gè)波束適用于所有模塊/對(duì)應(yīng)于P-1/2/3初始掃描和波束細(xì)化 - 這是一種建議的實(shí)用方案;和最佳天線選擇（傳統(tǒng)/ LTE設(shè)計(jì)） - 一種悲觀的下限方案。我們將在下一頁(yè)更詳細(xì)地討論MRC和多分辨率碼本。

高通公司開(kāi)發(fā)了一種RFIC，支持多種可能的天線設(shè)計(jì)，并將其用于展示自適應(yīng)波束成形和波束追蹤的演示智能手機(jī)外形。其8個(gè)RF前端（RFFE）模塊中的每一個(gè)都支持X，Y和Z方向上的多個(gè)可選天線陣列。移動(dòng)OEM廠商現(xiàn)在有機(jī)會(huì)盡早開(kāi)始優(yōu)化其特定設(shè)備。

最大比例組合（MRC）

我們來(lái)看看MRC1架構(gòu)。這是一種簡(jiǎn)單有效的自適應(yīng)天線陣列組合方案，有助于在一定程度上減少噪聲，衰落和同信道干擾的影響。該架構(gòu)確實(shí)需要估計(jì)陣列中感興趣的信號(hào)的空間特征，其是每個(gè)天線元件處的信道增益和相位。請(qǐng)參閱圖4為一傳統(tǒng)的MRC接收器架構(gòu)。

圖4經(jīng)典的預(yù)檢MRC接收機(jī)架構(gòu)（圖片由Reference 1提供）

參考文獻(xiàn)1中的論文提出了最大比合并接收的一般分析框架，其中通過(guò)與已知訓(xùn)練序列的相關(guān)來(lái)估計(jì)期望信號(hào)的空間簽名。

圖5a描述了在檢測(cè)之前在基帶處執(zhí)行組合的架構(gòu)。作者還建議在參考文獻(xiàn)1中以中頻（IF）進(jìn)行組合的更好的可能性。

圖5a具有獨(dú)立信道和載波跟蹤的MRC接收機(jī)。這是一個(gè)使用基帶補(bǔ)償載波相位抖動(dòng)的基帶合并預(yù)檢測(cè)MRC接收機(jī)（圖片由參考文獻(xiàn)1提供）

在圖5b中，通過(guò)可調(diào)延遲元件或移相器施加加權(quán)。然后在匹配濾波完成之前，單載波恢復(fù)環(huán)路將組合信號(hào)帶到基帶。這種方法通過(guò)僅為一個(gè)下變頻器和一個(gè)上變頻器交換N個(gè)下變頻器來(lái)降低RF硬件的復(fù)雜性。

圖5b具有獨(dú)立信道和載波跟蹤的MRC接收機(jī)。這是一個(gè)使用單載波恢復(fù)環(huán)路的IF組合預(yù)檢測(cè)MRC接收機(jī)。標(biāo)有x的盒子由可調(diào)延遲元件或移相器組成，然后是可調(diào)衰減器。（圖片由參考文獻(xiàn)1提供）

最終的結(jié)果是歸一化SNR的推導(dǎo)（其逆是訓(xùn)練損失），其以理想SNR為條件。這是在非衰落環(huán)境和不相關(guān)的瑞利衰落環(huán)境中獲得各種性能結(jié)果的基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練損失在衰落環(huán)境中對(duì)中斷概率的影響大于對(duì)平均誤比特率（BER）的影響。

這些類(lèi)型的結(jié)果對(duì)于確定所需訓(xùn)練序列長(zhǎng)度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是有用的，并且實(shí)際上評(píng)估系統(tǒng)的性能，包括不完善估計(jì)的影響而不借助于仿真。

多分辨率碼本

碼本是一種用于收集和存儲(chǔ)代碼的文件。最初的碼書(shū)是書(shū)籍，但今天的碼書(shū)是一系列代碼的完整記錄的代名詞，無(wú)論物理格式如何。

為了克服毫米波波段的較高路徑損耗，使用大規(guī)?；虼笠?guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的高度定向波束形成是至關(guān)重要的。由于使用高分辨率窄波束發(fā)出所有可能的波束方向所需的大量訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)，信道估計(jì)的問(wèn)題變得具有挑戰(zhàn)性。為了解決和改善毫米波系統(tǒng)中的波束搜索問(wèn)題，參考文獻(xiàn)2中的論文描述了一種多分辨率波束形成序列的設(shè)計(jì)，其可以以二分方式快速搜索主要信道方向。給定多分辨率碼本，所提出的多分辨率波束形成序列被設(shè)計(jì)為在最小化訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)8并最大化波束成形增益。本文討論了如何使用離散傅立葉變換（DFT）矩陣的相移版本來(lái)設(shè)計(jì)多分辨率碼本。

5G mmWave相控陣列

在第五屆布魯克林5G峰會(huì)上，英特爾先進(jìn)技術(shù)總監(jiān)Batjit Singh討論了其公司的毫米波陣列。其中一個(gè)主題特別讓我對(duì)5G 28 GHz汽車(chē)移動(dòng)性感到興趣。

英特爾的設(shè)計(jì)采用四塊面板，提供面板切換，光束選擇，光束切換時(shí)間優(yōu)化和移動(dòng)設(shè)計(jì)的360o覆蓋。他們的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)證明和證明了mmW系統(tǒng)（26.5 GHz至29.5 GHz）（圖6）。

圖6英特爾5G 28 GHz汽車(chē)移動(dòng)系統(tǒng)（圖片由英特爾提供）

在日本和韓國(guó)以及其他國(guó)家進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試有助于評(píng)估諸如調(diào)制和編碼方案（MCS），接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI），偏置接收信號(hào)功率（BRSP）性能和內(nèi)/基帶單元（BBU）切換等關(guān)鍵mmW參數(shù)。參見(jiàn)圖7，了解部署在車(chē)輛頂部后頂?shù)南到y(tǒng)。

圖7這是英特爾5G汽車(chē)移動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試車(chē)中的一款，該車(chē)在汽車(chē)后上方有5G毫米波相控陣列系統(tǒng)用于汽車(chē)。（圖片由Intel提供）

我希望V2X能夠提高未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)駕駛的安全性，而5G將為此系統(tǒng)提供支持。

羅特曼透鏡波束形成

我們來(lái)看看這種波束形成的方法，這對(duì)無(wú)人機(jī)避免碰撞，交通監(jiān)控和入侵者檢測(cè)至關(guān)重要。

除了檢測(cè)物體之外，雷達(dá)還可以測(cè)量物體的范圍和徑向速度。無(wú)論白天還是晚上，在大多數(shù)天氣條件下，它都能很好地工作。在避免碰撞中，雷達(dá)需要具有檢測(cè)目標(biāo)物體角度的能力;使用雷達(dá)的機(jī)械或電子可操縱的窄天線波束可以實(shí)現(xiàn)這種功能。

尺寸，重量和功率（SWaP）需要在傳感器簡(jiǎn)單性和視角估計(jì)能力方面進(jìn)行權(quán)衡，因此可以生成多個(gè)固定的窄天線波束的輻射出不同方向的前端可能是一個(gè)很好的折衷方案。所以，每個(gè)光束都會(huì)有自己獨(dú)立的視角 - 這可以通過(guò)平面Rotman Lens（RL）4完成。

多頻道調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)可在24 GHz的ISM頻段內(nèi)工作。接收（RX）天線基于RL和采用微帶技術(shù)設(shè)計(jì)的貼片天線陣列。發(fā)射（TX）天線使用BFN和貼片天線陣列。

所使用的系統(tǒng)基于IMST24 GHz多功能雷達(dá)產(chǎn)品Sentire sR-1200e。

雷達(dá)系統(tǒng)

圖8參考文獻(xiàn)3中提出的雷達(dá)系統(tǒng)框圖（圖片由參考文獻(xiàn)3提供）

這種雷達(dá)前端的主要組成部分是一個(gè)9×14 RL，采用平面微帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種方法在1963年首次提到，當(dāng)時(shí)Walter Rotman為波束形成方法提出了微波透鏡4。該透鏡可以構(gòu)造為用于天線元件的線性束陣列的平行板，波導(dǎo)或襯底集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)。RL設(shè)計(jì)的地面計(jì)算的數(shù)學(xué)框架參考Peter S. Simon的論文5（圖9）。

圖9波束形成器布局，顯示TX和RX波束成形網(wǎng)絡(luò)，包括天線端口和RL分布網(wǎng)絡(luò)（圖片由Reference 3提供）

集成相控陣IC解決方案：為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用解決方案

相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)正朝著平板陣列邁進(jìn)，并改善了SWaP。硅片中的數(shù)字集成使下一代波束成形成為可能。GaN器件可以提供高功率和出色的功率附加效率（PAE），即PAE（負(fù)載的RF功率 - 器件輸入端的RF功率）DC電源。

我非常喜歡ADI公司建議的Plank架構(gòu)，使用他們的新型ADAR1000（一種非常獨(dú)特的Tile X / Ku波段時(shí)分雙工（TDD）模擬波束形成器）創(chuàng)建出色的評(píng)估系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)6中的論文研究了頻分雙工（FDD）與TDD，并發(fā)現(xiàn)如果需要在各種傳播條件下的穩(wěn)健操作，基于互易性的TDD波束成形是唯一可行的選擇。圖10顯示了該器件的框圖。

圖10ADAR1000的框圖（圖片由ADI公司提供）

這款新產(chǎn)品的最佳部分不僅在于高度集成，這是驚人的，而且在設(shè)計(jì)人員可用的評(píng)估板中，用于使用Plank架構(gòu)構(gòu)建相控陣天線板，在該架構(gòu)中IC位于板垂直于天線板。以這種方式，IC的尺寸并不太重要，因?yàn)樗鼈儾恍枰m合天線設(shè)計(jì)的晶格間距。這些工具將縮短開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)上市時(shí)間（圖11）。

圖11Plank架構(gòu)（圖片由ADI公司提供）

平板陣列也可以在電路板一側(cè)上的天線元件和背側(cè)上的IC上創(chuàng)建 - 正是在這種類(lèi)型的配置中，天線晶格間距9和IC的尺寸變得關(guān)鍵，以防止光柵裂片（圖12）。

圖12平板陣列設(shè)計(jì)架構(gòu)（圖片由ADI公司提供）

相控陣信號(hào)流中的模擬/數(shù)字波束形成

設(shè)計(jì)師可以根據(jù)其整體系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)置模擬/數(shù)字波束形成相控陣信號(hào)流。每種電子設(shè)計(jì)總是有妥協(xié)和權(quán)衡。請(qǐng)參閱圖13為一個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)流程的一般示例。

圖13模擬/數(shù)字波束形成相控陣設(shè)計(jì)架構(gòu)的通用信號(hào)流設(shè)計(jì)（圖片由Analog Devices提供）

具有模擬/數(shù)字（混合）波束形成的完整X / Ku波段陣列

圖14模擬/數(shù)字（混合）波束成形的X / Ku波段陣列（圖片由Analog Devices提供）

在這里，ADI公司真正用Hittite微波和凌力爾特公司的高功率和高速采集技術(shù)發(fā)光。

圖15完整的評(píng)估板解決方案（圖片由ADI公司提供）

隨著我們?cè)谏钪袑?shí)施5G，我期待看到本文提到的更多創(chuàng)新。我期望5G空間以外的空間還有更多的應(yīng)用。