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本文將以有趣和獨特的技術設計示例來介紹毫米波（mmW）波束成形和天線技術的各個方面。 波束成形天線陣中每個單獨的小天線因為陣列因子而導致發(fā)射信號方向不一，而波束成形網絡（BFN）可以將它們發(fā)射的信號組合成更具方向性的圖案。波束成形器可用于雷達和通信系統(tǒng)。一個雷達示例是為汽車雷達提供一個能夠在方位角上提供4個波束的線性陣列。一個通信示例是在衛(wèi)星中使用的二維波束成形器，可以從多個點覆蓋寬闊的地面區(qū)域。 就像經典的相控陣雷達系統(tǒng)一樣，BFN可以提供同步波束覆蓋，例如衛(wèi)星或單點覆蓋。設計中可以將波束固定，也可以利用波束控制計算機控制實現(xiàn)波束自適應。 有兩種主要的相控陣波束成形網絡：無源電子可控天線（PESA）和有源電子可控天線（AESA）。 布魯克林5G峰會在用戶設備（UE，包括最終用戶通過網絡通信所使用的任何設備）中提供5G，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NYU無線研究中心在2018年4月底組織舉辦了第5屆布魯克林5G峰會（B5GS），其中兩個主要議題就是英特爾提出的5G毫米波相控陣和Qualcomm展示的5G UE相控陣設計。 Qualcomm公司高級技術總監(jiān)Ozge Koymen發(fā)表了5G UE相控陣設計的演講，并討論了這項設計工作帶來的挑戰(zhàn)，包括：
本節(jié)將討論兩種極化球面覆蓋的UE設備表面或邊緣設計選擇。Qualcomm公司探討了一種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） Koymen認為使用多個模塊有助于減少手部阻擋，并可以降低方向的影響（圖2）。 圖2：UE的手部阻擋。（圖片由Qualcomm提供） 在手持式UE設備中有兩種流行的配置：表面設計和邊緣設計（圖3）。 圖3：手持UE設備的兩種常用配置。（圖片由Qualcomm提供） Koymen提出的表面設計使用兩個模塊，它們具有一個2×2交叉極化平面陣列、1×2和2×1偶極子陣列；邊緣設計則使用三個模塊，具有單個4×1交叉極化平面陣列。 在考慮了多種類型的波束成形架構后，Koymen得出采用一種沿設備所有方向的最大比率組合（MRC）設計。他認為這是一種樂觀的上限方案設計；基于RF/模擬波束碼本（codebook）的24個波束覆蓋所有模塊/對應于P-1/2/3初始掃描和波束細化，是建議的實用方案；最佳天線選擇（傳統(tǒng)/ LTE設計），則是一種悲觀的下限方案。我們稍后將詳細討論MRC和多分辨率碼本。 Qualcomm公司開發(fā)了一種可支持幾種可能天線設計的RFIC，并將其用于一種智能手機的外形演示，展示了自適應波束成形和波束跟蹤。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。移動設備制造商現(xiàn)在可以盡早開始優(yōu)化他們的特定設備了。 最大比率組合（MRC）我們來看看MRC架構。這是一種非常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降低噪聲、衰減和同信道干擾的影響。這種架構確實需要估計陣列上所關注信號的空間特征，即每個天線元件處的信道增益和相位。圖4給出了一種經典的MRC接收器架構。 圖4：經典的預檢測MRC接收器架構。（圖片來自參考文獻《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》） 參考文獻《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》中提出了一種最大比率組合接收的通用分析框架，其中期望信號的空間特征是通過與已知訓練序列的相關性來估計的。 圖5a描述了一種在檢測之前在基帶處進行組合的架構。該參考文獻的作者們還建議了一種在中頻（IF）進行組合的更好的可能性。 圖5a：具有單獨信道和載波跟蹤的MRC接收器。這里是一個基帶組合預檢測MRC接收器，它使用了載波相位抖動的基帶補償。（圖片來源與圖4相同） 圖5b通過可調的延遲元件或移相器進行了加權。然后，單個載波恢復環(huán)路在完成匹配濾波之前將組合信號帶到基帶。該方法通過將N個下變頻器變?yōu)橐粋€下變頻器和一個上變頻器，降低了RF硬件的復雜性。 圖5b：帶有單獨信道和載波跟蹤的MRC接收器。這里是使用單載波恢復環(huán)路的IF組合預檢測MRC接收器。標有x的方框由可調延遲元件或移相器組成，其后是可調衰減器。（圖片來源與圖4相同） 最終結果是以理想SNR為條件的歸一化SNR（其倒數(shù)是訓練損耗）的pdf的推導。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?？梢园l(fā)現(xiàn)訓練損耗在衰落環(huán)境中對中斷概率的影響遠大于對平均誤碼率（BER）的影響。 對于系統(tǒng)設計來說，這些結果在確定所需的訓練序列長度和實際評估系統(tǒng)的性能（包括對不完美估計的影響，但無需借助仿真）方面是有用的。 多分辨率碼本碼本是一種用于收集和存儲代碼的文檔。最初的碼本是書本，但今天的碼本代表一系列代碼的完整記錄，無論它采用什么物理格式。 為了克服毫米波頻帶的較高路徑損耗，采用大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的高度定向波束成形就至關重要。由于使用高分辨率窄波束發(fā)出所有可能的波束方向需要大量訓練開銷，信道估計的問題變得頗具有挑戰(zhàn)性。為了解決和改善毫米波系統(tǒng)中波束搜索的問題，參考文獻《Multi-Resolution Codebook Based Beamforming Sequence Design in Millimeter-Wave Systems》中描述了一種多分辨率波束成形序列的設計，可以以二分方式快速搜索出主要信道方向?？紤]到多分辨率碼本，所提出的多分辨率波束成形序列被設計成在最小化訓練開銷和最大化波束成形增益之間取得平衡。該參考文獻討論了如何使用相移版離散傅立葉變換（DFT）矩陣來設計多分辨率碼本。 5G毫米波相控陣在第五屆布魯克林5G峰會期間，英特爾高級技術總監(jiān)Batjit Singh討論了他們公司的毫米波陣列。有一個關于5G 28GHz汽車移動性的話題特別引起了我的興趣。 英特爾采用一種可提供360o覆蓋的四面板設計，其面板切換、波束選擇、波束切換時間等都針對移動性進行了優(yōu)化和設計。他們的多次現(xiàn)場試驗已經展示并證明了這種毫米波系統(tǒng)（26.5GHz至29.5GHz）（圖6）。 圖6：英特爾5G 28GHz汽車移動系統(tǒng)。（圖片由英特爾提供） 試驗在日本和韓國以及其他國家進行。測試有助于評估一些關鍵的毫米波參數(shù)，諸如調制和編碼方案（MCS）、接收信號強度指示（RSSI）、偏置接收信號功率（BRSP）性能，以及幀內/幀間基帶單元（BBU）切換等。圖7所示的測試車在車頂后部安裝了這種系統(tǒng)。 圖7：英特爾5G汽車移動系統(tǒng)測試車，車頂后部采用5G毫米波相控陣系統(tǒng)。（圖片由英特爾提供） 在提高未來自動駕駛汽車的安全性方面，我特別看好V2X技術，而5G將會推動這一系統(tǒng)的發(fā)展。 羅特曼透鏡波束成形讓我們來看看這種波束成形方法，這對無人機避撞、交通監(jiān)控和入侵檢測至關重要。 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。無論白天還是夜晚，在大多數(shù)天氣條件下雷達都可以正常工作。在避免碰撞方面，雷達需要能夠檢測目標物體的角度，使用雷達的機械或電子可控窄天線波束可以實現(xiàn)這種功能。 尺寸、重量和功耗（SWaP）要求在傳感器簡化和視場角估計功能之間有所取舍，一個很好的折衷方案是采用能夠生成多個固定窄天線波束的前端，這樣波束可以在不同方向上輻射出去。因此，每個波束將具有自己的離散視場角——這可以通過平面羅特曼透鏡（RL）來實現(xiàn)。 工作在24GHz ISM頻段的多通道調頻連續(xù)波（FMCW）雷達可以完成這項任務。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）天線采用BFN和貼片天線陣列。 使用的系統(tǒng)基于IMST 24GHz多功能雷達產品Sentire sR-1200e。 雷達系統(tǒng)圖8：參考文獻《Multiple target detection using Rotman Lens beamforming》中提出的雷達系統(tǒng)方框圖。 圖8這一雷達系統(tǒng)前端的主要器件是采用平面微帶技術實現(xiàn)的9×14 RL。這種方法最早是在1963年由Walter Rotman提出的，當時他展示了一種微波透鏡用于波束成形。這種透鏡可采用平行板、波導或襯底集成波導（SIW）結構來做成，以用于天線元件的線性波束陣列。RL設計的基礎計算所采用的數(shù)學框架可參考Peter S.Simon的論文《Analysis and Synthesis of Rotman Lenses》（圖9）。 圖9：波束成形器的布局顯示TX和RX波束成形網絡，包括天線端口和RL分配網絡。（圖片來自參考文獻3） 集成相控陣IC解決方案：設計人員實用的解決方案相控陣雷達系統(tǒng)正朝著可以改善SWaP性能的平板陣列發(fā)展。數(shù)字模塊集成到芯片中使下一代波束成形成為可能。GaN器件可以提供大功率和出色的功率附加效率（PAE），即（到負載的RF功率–器件輸入端RF功率）/電源直流功率。 我非常喜歡ADI公司提出的Plank架構，它使用新的ADAR1000器件創(chuàng)建了出色的評估系統(tǒng)，這是一種非常獨特的Tile X/Ku波段時分雙工（TDD）模擬波束成形器。參考文獻《Massive MIMO Performance—TDD Versus FDD: What Do Measurements Say?》研究了頻分雙工（FDD）與TDD，并發(fā)現(xiàn)如果需要在各種傳輸條件下進行穩(wěn)健的工作，基于倒易性的TDD波束成形是唯一可行的替代方案。圖9給出了該器件的內部框圖。
圖10：ADAR1000的框圖。（圖片由ADI公司提供） 大圖：https://www./media/en/technical-documentation/data-sheets/ADAR1000.pdf 這個新產品的優(yōu)點不僅僅是驚人的高集成度，而且還有為設計師提供的評估板，可以使用Plank架構創(chuàng)建相控陣天線板，其中IC是以垂直于天線板的方式安裝在板上的。采取這種安裝方式，IC的尺寸就不那么重要了，因為它們不必塞進天線設計的點陣間距中。這些工具將為開發(fā)人員節(jié)省設計和產品上市時間（圖11）。
圖11：Plank架構（圖片由ADI公司提供） 平板陣列也可以設計為在板的一面安裝天線元件，而在其背面安裝IC。若采用這種類型的配置，天線點陣間距和IC的尺寸就變得至關重要了，以防止產生光柵波瓣（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)字波束成形設計人員可以根據(jù)整體系統(tǒng)目標來設置模擬/數(shù)字波束成形的相控陣信號流。每種類型的電子設計都需要折中和權衡取舍。有關信號流設計的通用示例，請參見圖13。 圖13：模擬/數(shù)字波束成形相控陣設計架構的通用信號流設計。（圖片由ADI公司提供） 具有模擬/數(shù)字（混合）波束成形的完整X/Ku波段陣列 圖14：具有模擬/數(shù)字（混合）波束成形的X/Ku波段陣列。（圖片由ADI公司提供） 這里就是ADI公司收購Hittite微波和凌力爾特這兩家公司的真正亮點（圖14、圖15）。
圖15：完整的評估板解決方案（圖片由ADI公司提供） 我希望在我們的生活走向5G時，出現(xiàn)更多類似本文提到的技術創(chuàng)新。相信它們在5G之外的空間也會得到更多應用。 |
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