示例分析毫米波波束成形和天线技术

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本文将以有趣和独特的技术设计示例来介绍毫米波(mmW)波束成形和天线技术的各个方面。

波束成形

天线阵中每个单独的小天线因为阵列因子而导致发射信号方向不一,而波束成形网络(BFN)可以将它们发射的信号组合成更具方向性的图案。波束成形器可用于雷达和通信系统。一个雷达示例是为汽车雷达提供一个能够在方位角上提供 4 个波束的线性阵列。一个通信示例是在卫星中使用的二维波束成形器,可以从多个点覆盖宽阔的地面区域。

就像经典的相控阵雷达系统一样,BFN 可以提供同步波束覆盖,例如卫星或单点覆盖。设计中可以将波束固定,也可以利用波束控制计算机控制实现波束自适应。

有两种主要的相控阵波束成形网络:无源电子可控天线(PESA)和有源电子可控天线(AESA)。

布鲁克林 5G 峰会

在用户设备(UE,包括最终用户通过网络通信所使用的任何设备)中提供 5G,现在是一个非常热门的话题。诺基亚和纽约大学 Tandon 工程学院的 NYU 无线研究中心在 2018 年 4 月底组织举办了第 5 届布鲁克林 5G 峰会(B5GS),其中两个主要议题就是英特尔提出的 5G 毫米波相控阵和 Qualcomm 展示的 5G UE 相控阵设计。

Qualcomm 公司高级技术总监 Ozge Koymen 发表了 5G UE 相控阵设计的演讲,并讨论了这项设计工作带来的挑战,包括:

快速切换和稳定时间;

在效率和热性能方面尽量减少后 PA 损耗;

尽量减少前 LNA 损耗以改善链路预算;

UE 的空间限制;

降低成本;

两种极化的球形覆盖。

本节将讨论两种极化球面覆盖的 UE 设备表面或边缘设计选择。Qualcomm 公司探讨了一种手持设备的前后天线模块(图 1)。

 

图 1:前后天线模块。(图片由 Qualcomm 提供)

 

Koymen 认为使用多个模块有助于减少手部阻挡,并可以降低方向的影响(图 2)。

 

图 2:UE 的手部阻挡。(图片由 Qualcomm 提供)

 

在手持式 UE 设备中有两种流行的配置:表面设计和边缘设计(图 3)。

 

图 3:手持 UE 设备的两种常用配置。(图片由 Qualcomm 提供)

 

Koymen 提出的表面设计使用两个模块,它们具有一个 2×2 交叉极化平面阵列、1×2 和 2×1 偶极子阵列;边缘设计则使用三个模块,具有单个 4×1 交叉极化平面阵列。

在考虑了多种类型的波束成形架构后,Koymen 得出采用一种沿设备所有方向的最大比率组合(MRC)设计。他认为这是一种乐观的上限方案设计;基于 RF/ 模拟波束码本(codebook)的 24 个波束覆盖所有模块 / 对应于 P-1/2/3 初始扫描和波束细化,是建议的实用方案;最佳天线选择(传统 / LTE 设计),则是一种悲观的下限方案。我们稍后将详细讨论 MRC 和多分辨率码本。

Qualcomm 公司开发了一种可支持几种可能天线设计的 RFIC,并将其用于一种智能手机的外形演示,展示了自适应波束成形和波束跟踪。8 个 RF 前端(RFFE)模块中的每一个都支持 X、Y 和 Z 方向上的多个可选天线阵列。移动设备制造商现在可以尽早开始优化他们的特定设备了。

最大比率组合(MRC)

我们来看看 MRC 架构。这是一种非常简单有效的自适应天线阵列组合方案,有助于在一定程度上降低噪声、衰减和同信道干扰的影响。这种架构确实需要估计阵列上所关注信号的空间特征,即每个天线元件处的信道增益和相位。图 4 给出了一种经典的 MRC 接收器架构。

 

图 4:经典的预检测 MRC 接收器架构。(图片来自参考文献《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》)

参考文献《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》中提出了一种最大比率组合接收的通用分析框架,其中期望信号的空间特征是通过与已知训练序列的相关性来估计的。

图 5a 描述了一种在检测之前在基带处进行组合的架构。该参考文献的作者们还建议了一种在中频(IF)进行组合的更好的可能性。

 

图 5a:具有单独信道和载波跟踪的 MRC 接收器。这里是一个基带组合预检测 MRC 接收器,它使用了载波相位抖动的基带补偿。(图片来源与图 4 相同)

图 5b 通过可调的延迟元件或移相器进行了加权。然后,单个载波恢复环路在完成匹配滤波之前将组合信号带到基带。该方法通过将 N 个下变频器变为一个下变频器和一个上变频器,降低了 RF 硬件的复杂性。

 

图 5b:带有单独信道和载波跟踪的 MRC 接收器。这里是使用单载波恢复环路的 IF 组合预检测 MRC 接收器。标有 x 的方框由可调延迟元件或移相器组成,其后是可调衰减器。(图片来源与图 4 相同)

最终结果是以理想 SNR 为条件的归一化 SNR(其倒数是训练损耗)的 pdf 的推导。这是在非衰落环境和不相关的瑞利衰落环境中获得各种性能结果的基础。可以发现训练损耗在衰落环境中对中断概率的影响远大于对平均误码率(BER)的影响。

对于系统设计来说,这些结果在确定所需的训练序列长度和实际评估系统的性能(包括对不完美估计的影响,但无需借助仿真)方面是有用的。

多分辨率码本

码本是一种用于收集和存储代码的文档。最初的码本是书本,但今天的码本代表一系列代码的完整记录,无论它采用什么物理格式。

为了克服毫米波频带的较高路径损耗,采用大规模多输入多输出(MIMO)系统的高度定向波束成形就至关重要。由于使用高分辨率窄波束发出所有可能的波束方向需要大量训练开销,信道估计的问题变得颇具有挑战性。为了解决和改善毫米波系统中波束搜索的问题,参考文献《Multi-Resolution Codebook Based Beamforming Sequence Design in Millimeter-Wave Systems》中描述了一种多分辨率波束成形序列的设计,可以以二分方式快速搜索出主要信道方向。考虑到多分辨率码本,所提出的多分辨率波束成形序列被设计成在最小化训练开销和最大化波束成形增益之间取得平衡。该参考文献讨论了如何使用相移版离散傅立叶变换(DFT)矩阵来设计多分辨率码本。

5G 毫米波相控阵

在第五届布鲁克林 5G 峰会期间,英特尔高级技术总监 Batjit Singh 讨论了他们公司的毫米波阵列。有一个关于 5G 28GHz 汽车移动性的话题特别引起了我的兴趣。

英特尔采用一种可提供 360º覆盖的四面板设计,其面板切换、波束选择、波束切换时间等都针对移动性进行了优化和设计。他们的多次现场试验已经展示并证明了这种毫米波系统(26.5GHz 至 29.5GHz)(图 6)。

 

图 6:英特尔 5G 28GHz 汽车移动系统。(图片由英特尔提供)

 

试验在日本和韩国以及其他国家进行。测试有助于评估一些关键的毫米波参数,诸如调制和编码方案(MCS)、接收信号强度指示(RSSI)、偏置接收信号功率(BRSP)性能,以及帧内 / 帧间基带单元(BBU)切换等。图 7 所示的测试车在车顶后部安装了这种系统。

 

图 7:英特尔 5G 汽车移动系统测试车,车顶后部采用 5G 毫米波相控阵系统。(图片由英特尔提供)

在提高未来自动驾驶汽车的安全性方面,我特别看好 V2X 技术,而 5G 将会推动这一系统的发展。

罗特曼透镜波束成形

让我们来看看这种波束成形方法,这对无人机避撞、交通监控和入侵检测至关重要。

除了检测物体之外,雷达还可以测量物体的范围和径向速度。无论白天还是夜晚,在大多数天气条件下雷达都可以正常工作。在避免碰撞方面,雷达需要能够检测目标物体的角度,使用雷达的机械或电子可控窄天线波束可以实现这种功能。

尺寸、重量和功耗(SWaP)要求在传感器简化和视场角估计功能之间有所取舍,一个很好的折衷方案是采用能够生成多个固定窄天线波束的前端,这样波束可以在不同方向上辐射出去。因此,每个波束将具有自己的离散视场角——这可以通过平面罗特曼透镜(RL)来实现。

工作在 24GHz ISM 频段的多通道调频连续波(FMCW)雷达可以完成这项任务。接收(RX)天线基于 RL 和采用微带技术设计的贴片天线阵列。发射(TX)天线采用 BFN 和贴片天线阵列。

使用的系统基于 IMST 24GHz 多功能雷达产品 Sentire sR-1200e。

雷达系统

 

图 8:参考文献《Multiple target detection using Rotman Lens beamforming》中提出的雷达系统方框图。

图 8 这一雷达系统前端的主要器件是采用平面微带技术实现的 9×14 RL。这种方法最早是在 1963 年由 Walter Rotman 提出的,当时他展示了一种微波透镜用于波束成形。这种透镜可采用平行板、波导或衬底集成波导(SIW)结构来做成,以用于天线元件的线性波束阵列。RL 设计的基础计算所采用的数学框架可参考 Peter S.Simon 的论文《Analysis and Synthesis of Rotman Lenses》(图 9)。

 

图 9:波束成形器的布局显示 TX 和 RX 波束成形网络,包括天线端口和 RL 分配网络。(图片来自参考文献 3)

集成相控阵 IC 解决方案:设计人员实用的解决方案

相控阵雷达系统正朝着可以改善 SWaP 性能的平板阵列发展。数字模块集成到芯片中使下一代波束成形成为可能。GaN 器件可以提供大功率和出色的功率附加效率(PAE),即(到负载的 RF 功率–器件输入端 RF 功率)/ 电源直流功率。

我非常喜欢 ADI 公司提出的 Plank 架构,它使用新的 ADAR1000 器件创建了出色的评估系统,这是一种非常独特的 Tile X/Ku 波段时分双工(TDD)模拟波束成形器。参考文献《Massive MIMO Performance—TDD Versus FDD: What Do Measurements Say?》研究了频分双工(FDD)与 TDD,并发现如果需要在各种传输条件下进行稳健的工作,基于倒易性的 TDD 波束成形是唯一可行的替代方案。图 9 给出了该器件的内部框图。

 

图 10:ADAR1000 的框图。(图片由 ADI 公司提供)

 

这个新产品的优点不仅仅是惊人的高集成度,而且还有为设计师提供的评估板,可以使用 Plank 架构创建相控阵天线板,其中 IC 是以垂直于天线板的方式安装在板上的。采取这种安装方式,IC 的尺寸就不那么重要了,因为它们不必塞进天线设计的点阵间距中。这些工具将为开发人员节省设计和产品上市时间(图 11)。

 

图 11:Plank 架构(图片由 ADI 公司提供)

 

平板阵列也可以设计为在板的一面安装天线元件,而在其背面安装 IC。若采用这种类型的配置,天线点阵间距和 IC 的尺寸就变得至关重要了,以防止产生光栅波瓣(图 12)。

 

图 12:平板阵列设计架构。(图片由 ADI 公司提供)

 

相控阵信号流中的模拟 / 数字波束成形

设计人员可以根据整体系统目标来设置模拟 / 数字波束成形的相控阵信号流。每种类型的电子设计都需要折中和权衡取舍。有关信号流设计的通用示例,请参见图 13。

 

图 13:模拟 / 数字波束成形相控阵设计架构的通用信号流设计。(图片由 ADI 公司提供)

具有模拟 / 数字(混合)波束成形的完整 X/Ku 波段阵列
 

图 14:具有模拟 / 数字(混合)波束成形的 X/Ku 波段阵列。(图片由 ADI 公司提供)

 

图 15:完整的评估板解决方案(图片由 ADI 公司提供)

 

我希望在我们的生活走向 5G 时,出现更多类似本文提到的技术创新。相信它们在 5G 之外的空间也会得到更多应用。

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