毫米波波束成形和天線設計

在本文中，我將介紹毫米波（mmW）波束成形和天線技術的各個方面以及我認為有趣和獨特的技術設計實例。

波束成形

波束形成網(wǎng)絡（BFN）用于將來自小天線的信號組合為比單獨的每個單獨天線更具指向性的模式，這是因為陣列因素。波束形成器用于雷達和通信。一個雷達例子是一個線性陣列，能夠為汽車雷達提供四個方位角的波束;一個通信實例是二維波束形成器，用于衛(wèi)星覆蓋多個地點的廣闊地面區(qū)域。

BFN可以提供同時波束覆蓋，如衛(wèi)星或單點覆蓋，就像經(jīng)典的相控陣雷達系統(tǒng)一樣。可以使用光束控制計算機控制將光束固定在設計中或自適應。

主要有兩種相控陣波束形成網(wǎng)絡：無源電子可控天線（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

用戶設備（UE）中的5G，例如終端用戶與網(wǎng)絡通信所使用的任何設備，現(xiàn)在是一個非常熱門的話題。諾基亞和紐約大學Tandon工程學院的紐約大學無線研究中心剛剛在4月底完成了第5屆布魯克林5G峰會（B5GS），其中兩個關鍵議題是英特爾的5G mmWave相控陣列和Qualcomm的5G UE相控陣設計。

Qualcomm高級技術總監(jiān)Ozge Koymen為5G UE相控陣設計演示做了演示，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

• 最大限度地降低預先LNA損耗以改善鏈路預算

• 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器件面或邊緣設計選項以獲得兩種極化的球面覆蓋。Qualcomm討論了手持設備的前后天線模塊（圖1）。

圖1前后天線模塊（圖片由Qualcomm提供）

科門建議使用多個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設備中，有兩種流行配置，即臉部設計或邊緣設計（圖3）。

圖3手持式UE設備的兩種流行配置（圖片由Qualcomm提供）

Koymen討論了使用兩個具有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模塊的邊緣設計的模塊的建議面設計，所述模塊具有單個4×1 x-pol平面陣列。

考慮到多種類型的波束形成架構，Koymen評論說，采用了設備沿所有方向的最大比率合并（MRC）設計。他認為這是樂觀的設計，上限方案;基于RF /模擬波束碼本的24個波束適用于所有模塊/對應于P-1/2/3初始掃描和波束細化 - 這是一種建議的實用方案;和最佳天線選擇（傳統(tǒng)/ LTE設計） - 一種悲觀的下限方案。我們將在下一頁更詳細地討論MRC和多分辨率碼本。

高通公司開發(fā)了一種RFIC，支持多種可能的天線設計，并將其用于展示自適應波束成形和波束追蹤的演示智能手機外形。其8個RF前端（RFFE）模塊中的每一個都支持X，Y和Z方向上的多個可選天線陣列。移動OEM廠商現(xiàn)在有機會盡早開始優(yōu)化其特定設備。

最大比例組合（MRC）

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

圖4經(jīng)典的預檢MRC接收機架構（圖片由Reference 1提供）

參考文獻1中的論文提出了最大比合并接收的一般分析框架，其中通過與已知訓練序列的相關來估計期望信號的空間簽名。

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

圖5a具有獨立信道和載波跟蹤的MRC接收機。這是一個使用基帶補償載波相位抖動的基帶合并預檢測MRC接收機（圖片由參考文獻1提供）

在圖5b中，通過可調延遲元件或移相器施加加權。然后在匹配濾波完成之前，單載波恢復環(huán)路將組合信號帶到基帶。這種方法通過僅為一個下變頻器和一個上變頻器交換N個下變頻器來降低RF硬件的復雜性。

圖5b具有獨立信道和載波跟蹤的MRC接收機。這是一個使用單載波恢復環(huán)路的IF組合預檢測MRC接收機。標有x的盒子由可調延遲元件或移相器組成，然后是可調衰減器。（圖片由參考文獻1提供）

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

這些類型的結果對于確定所需訓練序列長度的系統(tǒng)設計是有用的，并且實際上評估系統(tǒng)的性能，包括不完善估計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代碼的文件。最初的碼書是書籍，但今天的碼書是一系列代碼的完整記錄的代名詞，無論物理格式如何。

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練開銷，信道估計的問題變得具有挑戰(zhàn)性。為了解決和改善毫米波系統(tǒng)中的波束搜索問題，參考文獻2中的論文描述了一種多分辨率波束形成序列的設計，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計為在最小化訓練開銷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）矩陣的相移版本來設計多分辨率碼本。

5G mmWave相控陣列

在第五屆布魯克林5G峰會上，英特爾先進技術總監(jiān)Batjit Singh討論了其公司的毫米波陣列。其中一個主題特別讓我對5G 28 GHz汽車移動性感到興趣。

英特爾的設計采用四塊面板，提供面板切換，光束選擇，光束切換時間優(yōu)化和移動設計的360o覆蓋。他們的多個現(xiàn)場試驗已經(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汽車移動系統(tǒng)（圖片由英特爾提供）

在日本和韓國以及其他國家進行了試驗。測試有助于評估諸如調制和編碼方案（MCS），接收信號強度指示器（RSSI），偏置接收信號功率（BRSP）性能和內/基帶單元（BBU）切換等關鍵mmW參數(shù)。參見圖7，了解部署在車輛頂部后頂?shù)南到y(tǒng)。

圖7這是英特爾5G汽車移動系統(tǒng)測試車中的一款，該車在汽車后上方有5G毫米波相控陣列系統(tǒng)用于汽車。（圖片由Intel提供）

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

羅特曼透鏡波束形成

我們來看看這種波束形成的方法，這對無人機避免碰撞，交通監(jiān)控和入侵者檢測至關重要。

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

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

多頻道調頻連續(xù)波（FMCW）雷達可在24 GHz的ISM頻段內工作。接收（RX）天線基于RL和采用微帶技術設計的貼片天線陣列。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多功能雷達產(chǎn)品Sentire sR-1200e。

雷達系統(tǒng)

圖8參考文獻3中提出的雷達系統(tǒng)框圖（圖片由參考文獻3提供）

這種雷達前端的主要組成部分是一個9×14 RL，采用平面微帶技術實現(xiàn)。這種方法在1963年首次提到，當時Walter Rotman為波束形成方法提出了微波透鏡4。該透鏡可以構造為用于天線元件的線性束陣列的平行板，波導或襯底集成波導（SIW）結構。RL設計的地面計算的數(shù)學框架參考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，包括天線端口和RL分布網(wǎng)絡（圖片由Reference 3提供）

集成相控陣IC解決方案：為設計人員提供實用解決方案

相控陣雷達系統(tǒng)正朝著平板陣列邁進，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，使用他們的新型ADAR1000（一種非常獨特的Tile X / Ku波段時分雙工（TDD）模擬波束形成器）創(chuàng)建出色的評估系統(tǒng)。參考文獻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，而且在設計人員可用的評估板中，用于使用Plank架構構建相控陣天線板，在該架構中IC位于板垂直于天線板。以這種方式，IC的尺寸并不太重要，因為它們不需要適合天線設計的晶格間距。這些工具將縮短開發(fā)人員的設計上市時間（圖11）。

圖11Plank架構（圖片由ADI公司提供）

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

圖12平板陣列設計架構（圖片由ADI公司提供）

相控陣信號流中的模擬/數(shù)字波束形成

設計師可以根據(jù)其整體系統(tǒng)目標設置模擬/數(shù)字波束形成相控陣信號流。每種電子設計總是有妥協(xié)和權衡。請參閱圖13為一個信號設計流程的一般示例。

圖13模擬/數(shù)字波束形成相控陣設計架構的通用信號流設計（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發(fā)光。

圖15完整的評估板解決方案（圖片由ADI公司提供）

隨著我們在生活中實施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用。