毫米波波束形成和天线设计

在本文中,我将介绍毫米波(mmW)波束成形和天线技术的各个方面,以及我认为有趣和独特的技术设计实例。

波束成形

波束成形网络(BFN)用于将来自小天线的信号组合成比单独的每个单独天线更具方向性的模式,因为阵列因子波束形成器用于雷达和通信。雷达示例是一种线性阵列,能够为汽车雷达提供方位角的四个波束; 通信示例是在卫星中使用的二维波束形成器    以覆盖多个点中的宽阔地面区域。

BFN可以提供同步波束覆盖,例如卫星或单点覆盖,如经典的相控阵雷达系统。可以使用光束转向计算机控制将光束固定在设计中或自适应中。

有两种主要的相控阵波束形成网络:无源电子可控天线(PESA)和有源电子可控天线(AESA)。看看Keysight的Sangkyo Shin博士关于波束成形的视频:

 

布鲁克林5G峰会

用户设备(UE)中的5G,例如最终用户与网络通信所使用的任何设备,现在是一个非常热门的话题。诺基亚和纽约大学Tandon工程学院的纽约大学无线研究中心刚刚在4月底完成了 布鲁克林5G峰会(B5GS),他们的两个主要议题是英特尔的5G mmWave相位阵列和高通公司的5G UE相控阵设计。

高通公司高级技术总监Ozge Koymen介绍了5G UE相控阵设计演示,并讨论了这项工作带来的挑战,例如:

  • 快速切换和建立时间
  • 在效率和热性能方面最大限度地减少PA后损失
  • 最大限度地减少LNA前损失,以改善链路预算
  • UE中的空间限制
  • 降低成本
  • 两种极化的球形覆盖

 

在本节中,我们将处理两个极化的球面覆盖的UE设备面或边缘设计选项。高通公司讨论了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建议使用多个模块有助于减少手阻,并降低方向的影响(图2)。


图2 UE中的手动阻塞(图片由Qualcomm提供)

 

在手持式UE设备中,有两种流行的配置,面部设计或边缘设计(图3)。


图3手持UE设备的两种流行配置(图片由Qualcomm提供)

Koymen讨论了使用两个模块的拟议面部设计,这两个模块具有2×2 x-pol(交叉极化7)平面阵列,1×2和2×1偶极子阵列以及使用具有单个4×1的三个模块的边缘设计x-pol平面阵列。

考虑到多种类型的波束成形架构,Koymen评论说采用了沿设备所有方向的最大比率组合(MRC)设计。他认为这是乐观的设计,上限方案; 所有模块的基于RF /模拟波束码本的24个波束/对应于P-1/2/3初始扫描和波束细化 - 这是建议的实用方案; 和最佳天线选择(传统/ LTE设计) - 悲观,下限方案。我们将在下一页更详细地讨论MRC和多分辨率码本。

高通公司开发了一种RFIC,支持几种可能的天线设计,并将其用于演示智能手机外形,展示自适应波束成形和波束跟踪。它们的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OEM现在有机会尽早开始优化他们的特定设备。

最大比率组合(MRC)

我们来看看MRC 1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,衰落和同信道干扰的影响。该架构确实需要估计阵列上感兴趣的信号的空间特征,该空间特征是每个天线元件处的信道增益和相位。有关经典MRC接收器架构,请参见图4

 


图4经典的预检测MRC接收器架构(图片由参考文献1提供)

 

 

参考文献1中的论文提出了最大比组合接收的一般分析框架,其中通过与已知训练序列的相关来估计所需信号的空间特征。

图5a描述了一种架构,其中在检测之前在基带处执行组合。作者还建议在参考文献1中以中频(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。这是一个基带组合预检测MRC接收器,使用载波相位抖动的基带补偿(图片由参考文献1提供)

 

图5b中,通过可调延迟元件或移相器施加加权。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。这种方法通过仅为一个下变频器和一个上变频器交易N个下变频器来降低RF硬件复杂性


图5b具有单独信道和载波跟踪的MRC接收器。这是使用单载波恢复环路的IF组合预检测MRC接收器。标有x的盒子由可调延迟元件或移相器组成,然后是可调衰减器。(图片由参考文献1提供)

 

最终结果是以理想SNR为条件的归一化SNR(其反转是训练损耗)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。发现训练损失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。

这些类型的结果对于系统设计在确定所需的训练序列长度和实际评估系统的性能(包括不完美估计的影响而无需借助模拟)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。最初的代码簿是书籍,但今天的代码簿是一系列代码的完整记录的代名词,无论物理格式如何。

为了克服mmWave频带处的较高路径损耗,使用大规模或大规模多输入多输出(MIMO)系统的高度定向波束形成是至关重要的。由于使用高分辨率窄波束发出所有可能的波束方向所需的大量训练开销,信道估计的问题变得具有挑战性。为了解决和改善mmWave系统中波束搜索的问题,参考文献2中的论文描述了多分辨率波束形成序列的设计,其可以以二分方式快速搜索主导信道方向。给定多分辨率码本,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8之间取得平衡并最大化波束成形增益。本文讨论了如何使用离散傅立叶变换(DFT)矩阵的相移版本来设计多分辨率码本。

5G mmWave相控阵

第五届布鲁克林5G峰会期间,英特尔先进技术总监Batjit Singh讨论了他公司的mmWave阵列。有一个话题特别引起了我对5G 28 GHz汽车移动性的兴趣。

英特尔的设计采用四个面板,可提供360º覆盖,面板切换,光束选择,光束切换时间优化,专为移动性而设计。他们的多次现场试验证明并证明了mmW系统(26.5 GHz至29.5 GHz)(图6)。

 


图6英特尔5G 28 GHz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。测试有助于评估诸如调制和编码方案(MCS),接收信号强度指示符(RSSI),偏置接收信号功率(BRSP)性能和帧内/帧间基带单元(BBU)切换之类的关键mmW参数。有关部署在车辆顶部后车顶上的系统,请参见图7

 


图7这是英特尔5G汽车移动系统测试车之一,车辆顶部后部采用5G mmWave相控阵系统。(图片由英特尔提供)

 

我全力以赴V2X,以提高未来自动驾驶汽车的安全性,5G将启用该系统。

罗特曼镜头波束成形

让我们来看看这种波束成形方法,这对于无人机避碰,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。它适用于白天或夜晚以及大多数天气条件下的任何时间。在避免碰撞时,雷达需要具有检测目标物体角度的能力; 使用雷达的机械或电子可操纵的窄天线波束可以实现这种能力。

尺寸,重量和功率(SWaP)需要在传感器简单性和视角估计能力方面进行权衡,因此可以生成在不同方向辐射的多个固定窄天线波束的前端可能是一个很好的折衷方案。因此,每个光束将具有其自己的离散视角 - 这可以通过平面罗特曼透镜(RL)4来实现

多通道调频连续波(FMCW)雷达在24 GHz的ISM频段工作,可以完成这项工作。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)天线使用BFN和贴片天线阵列。

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

 

雷达系统


图8参考文献3中提出的雷达系统框图(图3由参考文献3提供)

该雷达前端的主要部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年提到的,当时Walter Rotman提出了一种用于波束形成方法的微波透镜4该透镜可以构造为用于天线元件的线性光束阵列的平行板,波导或基板集成波导(SIW)结构。用于RL设计的地面计算的数学框架参考Peter S.Simon 的论文5图9)。


图9波束形成器布局,显示TX和​​RX波束成形网络,包括天线端口和RL分配网络(图片由参考文献3提供)

 

集成相控阵IC解决方案:为设计人员提供实用解决方案

相控阵雷达系统正朝着具有改进的SWaP的平板阵列发展。硅中的数字集成使下一代波束成形成为可能。GaN器件可以提供高功率和出色的功率附加效率(PAE),即(负载的RF功率 - 器件输入的RF功率)来自电源的DC功率。

我非常喜欢ADI公司建议的Plank架​​构,它使用新的ADAR1000创建了一个出色的评估系统,这是一种非常独特的Tile X / Ku波段时分双工(TDD)模拟波束形成器。参考文献6中的论文研究了频分双工(FDD)与TDD,并发现如果需要在各种传播条件下进行稳健操作,基于互易性的TDD波束成形是唯一可行的替代方案。图10显示了器件的框图。


图10 ADAR1000的框图(图片由Analog Devices提供)

                                         

这个新产品的最佳部分不仅仅是高集成度,这是惊人的,但在设计师可用的评估板上构建使用Plank架​​构的相控阵天线板,其中IC位于板上垂直于天线板。以这种方式,IC的尺寸不太重要,因为它们不需要适合天线设计的晶格间距。这些工具将缩短开发人员的设计上市时间(图11)。


图11 Plank架​​构(图片由ADI公司提供)

 

平板阵列也可以在板的一侧和背面的IC上创建天线元件 - 在这种类型的配置中,天线晶格间距9和IC的尺寸变得至关重要以防止光栅裂片图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/数字波束形成

设计人员可以根据整体系统目标设置模拟/数字波束成形相控阵信号流。在每种类型的电子设计中总是存在妥协和权衡。有关信号设计流程的一般示例,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带模拟/数字(混合)波束成形的X / Ku波段阵列(图片由ADI公司提供)

这就是ADI公司在Hittite微波和凌力尔特公司的强大功能以及高速采集方面的真正亮点。


图15完整的评估板解决方案(图片由ADI公司提供)

 

我期待在我们的生活中实现5G时,看到本文中提到的更多创新。我期待在5G空间之外的空间中有更多的应用程序

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