本文將以有趣和獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)示例來介紹毫米波（mmW）波束成形和天線技術(shù)的各個(gè)方面。

波束成形

天線陣中每個(gè)單獨(dú)的小天線因?yàn)殛嚵幸蜃佣鴮?dǎo)致發(fā)射信號(hào)方向不一，而波束成形網(wǎng)絡(luò)（BFN）可以將它們發(fā)射的信號(hào)組合成更具方向性的圖案。波束成形器可用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)。一個(gè)雷達(dá)示例是為汽車?yán)走_(dá)提供一個(gè)能夠在方位角上提供4個(gè)波束的線性陣列。一個(gè)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(gè)點(diǎn)覆蓋寬闊的地面區(qū)域。

就像經(jīng)典的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)一樣，BFN可以提供同步波束覆蓋，例如衛(wèi)星或單點(diǎn)覆蓋。設(shè)計(jì)中可以將波束固定，也可以利用波束控制計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)波束自適應(yīng)。

有兩種主要的相控陣波束成形網(wǎng)絡(luò)：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(huì)

在用戶設(shè)備（UE，包括最終用戶通過網(wǎng)絡(luò)通信所使用的任何設(shè)備）中提供5G，現(xiàn)在是一個(gè)非常熱門的話題。諾基亞和紐約大學(xué)Tandon工程學(xué)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(huì)（B5GS），其中兩個(gè)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(shè)計(jì)。

Qualcomm公司高級(jí)技術(shù)總監(jiān)Ozge Koymen發(fā)表了5G UE相控陣設(shè)計(jì)的演講，并討論了這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作帶來的挑戰(zhàn)，包括：

• 快速切換和穩(wěn)定時(shí)間；

• 在效率和熱性能方面盡量減少后PA損耗；

• 盡量減少前LNA損耗以改善鏈路預(yù)算；

• UE的空間限制；

• 降低成本；

• 兩種極化的球形覆蓋。

本節(jié)將討論兩種極化球面覆蓋的UE設(shè)備表面或邊緣設(shè)計(jì)選擇。Qualcomm公司探討了一種手持設(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）

Koymen認(rèn)為使用多個(gè)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(shè)備中有兩種流行的配置：表面設(shè)計(jì)和邊緣設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3：手持UE設(shè)備的兩種常用配置。（圖片由Qualcomm提供）

Koymen提出的表面設(shè)計(jì)使用兩個(gè)模塊，它們具有一個(gè)2×2交叉極化平面陣列、1×2和2×1偶極子陣列；邊緣設(shè)計(jì)則使用三個(gè)模塊，具有單個(gè)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(gòu)后，Koymen得出采用一種沿設(shè)備所有方向的最大比率組合（MRC）設(shè)計(jì)。他認(rèn)為這是一種樂觀的上限方案設(shè)計(jì)；基于RF/模擬波束碼本（codebook）的24個(gè)波束覆蓋所有模塊/對(duì)應(yīng)于P-1/2/3初始掃描和波束細(xì)化，是建議的實(shí)用方案；最佳天線選擇（傳統(tǒng)/ LTE設(shè)計(jì)），則是一種悲觀的下限方案。我們稍后將詳細(xì)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(shè)計(jì)的RFIC，并將其用于一種智能手機(jī)的外形演示，展示了自適應(yīng)波束成形和波束跟蹤。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)設(shè)備制造商現(xiàn)在可以盡早開始優(yōu)化他們的特定設(shè)備了。

最大比率組合（MRC）

我們來看看MRC架構(gòu)。這是一種非常簡單有效的自適應(yīng)天線陣列組合方案，有助于在一定程度上降低噪聲、衰減和同信道干擾的影響。這種架構(gòu)確實(shí)需要估計(jì)陣列上所關(guān)注信號(hào)的空間特征，即每個(gè)天線元件處的信道增益和相位。圖4給出了一種經(jīng)典的MRC接收器架構(gòu)。

圖4：經(jīng)典的預(yù)檢測(cè)MRC接收器架構(gòu)。（圖片來自參考文獻(xiàn)《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》）

參考文獻(xiàn)《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(hào)的空間特征是通過與已知訓(xùn)練序列的相關(guān)性來估計(jì)的。

圖5a描述了一種在檢測(cè)之前在基帶處進(jìn)行組合的架構(gòu)。該參考文獻(xiàn)的作者們還建議了一種在中頻（IF）進(jìn)行組合的更好的可能性。

圖5a：具有單獨(dú)信道和載波跟蹤的MRC接收器。這里是一個(gè)基帶組合預(yù)檢測(cè)MRC接收器，它使用了載波相位抖動(dòng)的基帶補(bǔ)償。（圖片來源與圖4相同）

圖5b通過可調(diào)的延遲元件或移相器進(jìn)行了加權(quán)。然后，單個(gè)載波恢復(fù)環(huán)路在完成匹配濾波之前將組合信號(hào)帶到基帶。該方法通過將N個(gè)下變頻器變?yōu)橐粋€(gè)下變頻器和一個(gè)上變頻器，降低了RF硬件的復(fù)雜性。

圖5b：帶有單獨(dú)信道和載波跟蹤的MRC接收器。這里是使用單載波恢復(fù)環(huán)路的IF組合預(yù)檢測(cè)MRC接收器。標(biāo)有x的方框由可調(diào)延遲元件或移相器組成，其后是可調(diào)衰減器。（圖片來源與圖4相同）

最終結(jié)果是以理想SNR為條件的歸一化SNR（其倒數(shù)是訓(xùn)練損耗）的pdf的推導(dǎo)。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)?？梢园l(fā)現(xiàn)訓(xùn)練損耗在衰落環(huán)境中對(duì)中斷概率的影響遠(yuǎn)大于對(duì)平均誤碼率（BER）的影響。

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，這些結(jié)果在確定所需的訓(xùn)練序列長度和實(shí)際評(píng)估系統(tǒng)的性能（包括對(duì)不完美估計(jì)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(chǔ)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(guān)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(xùn)練開銷，信道估計(jì)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(xiàn)《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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)成在最小化訓(xùn)練開銷和最大化波束成形增益之間取得平衡。該參考文獻(xiàn)討論了如何使用相移版離散傅立葉變換（DFT）矩陣來設(shè)計(jì)多分辨率碼本。

5G毫米波相控陣

在第五屆布魯克林5G峰會(huì)期間，英特爾高級(jí)技術(shù)總監(jiān)Batjit Singh討論了他們公司的毫米波陣列。有一個(gè)關(guān)于5G 28GHz汽車移動(dòng)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(shè)計(jì)，其面板切換、波束選擇、波束切換時(shí)間等都針對(duì)移動(dòng)性進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)。他們的多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)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(dòng)系統(tǒng)。（圖片由英特爾提供）

試驗(yàn)在日本和韓國以及其他國家進(jìn)行。測(cè)試有助于評(píng)估一些關(guān)鍵的毫米波參數(shù)，諸如調(diào)制和編碼方案（MCS）、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、偏置接收信號(hào)功率（BRSP）性能，以及幀內(nèi)/幀間基帶單元（BBU）切換等。圖7所示的測(cè)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(dòng)系統(tǒng)測(cè)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(dòng)駕駛汽車的安全性方面，我特別看好V2X技術(shù)，而5G將會(huì)推動(dòng)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(duì)無人機(jī)避撞、交通監(jiān)控和入侵檢測(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。無論白天還是夜晚，在大多數(shù)天氣條件下雷達(dá)都可以正常工作。在避免碰撞方面，雷達(dá)需要能夠檢測(cè)目標(biāo)物體的角度，使用雷達(dá)的機(jī)械或電子可控窄天線波束可以實(shí)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(chǎng)角估計(jì)功能之間有所取舍，一個(gè)很好的折衷方案是采用能夠生成多個(gè)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(gè)波束將具有自己的離散視場(chǎng)角——這可以通過平面羅特曼透鏡（RL）來實(shí)現(xiàn)。

工作在24GHz ISM頻段的多通道調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)可以完成這項(xiàng)任務(wù)。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(dá)產(chǎn)品Sentire sR-1200e。

雷達(dá)系統(tǒng)

圖8：參考文獻(xiàn)《Multiple target detection using Rotman Lens beamforming》中提出的雷達(dá)系統(tǒng)方框圖。

圖8這一雷達(dá)系統(tǒng)前端的主要器件是采用平面微帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)的9×14 RL。這種方法最早是在1963年由Walter Rotman提出的，當(dāng)時(shí)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(dǎo)或襯底集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)來做成，以用于天線元件的線性波束陣列。RL設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)計(jì)算所采用的數(shù)學(xué)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(wǎng)絡(luò)，包括天線端口和RL分配網(wǎng)絡(luò)。（圖片來自參考文獻(xiàn)3）

集成相控陣IC解決方案：設(shè)計(jì)人員實(shí)用的解決方案

相控陣?yán)走_(dá)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(fù)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(gòu)，它使用新的ADAR1000器件創(chuàng)建了出色的評(píng)估系統(tǒng)，這是一種非常獨(dú)特的Tile X/Ku波段時(shí)分雙工（TDD）模擬波束成形器。參考文獻(xiàn)《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(jìn)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(nèi)部框圖。

圖10：ADAR1000的框圖。（圖片由ADI公司提供）

大圖：https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADAR1000.pdf

這個(gè)新產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是驚人的高集成度，而且還有為設(shè)計(jì)師提供的評(píng)估板，可以使用Plank架構(gòu)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?yàn)樗鼈儾槐厝M(jìn)天線設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣間距中。這些工具將為開發(fā)人員節(jié)省設(shè)計(jì)和產(chǎn)品上市時(shí)間（圖11）。

圖11：Plank架構(gòu)（圖片由ADI公司提供）

平板陣列也可以設(shè)計(jì)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(diǎn)陣間距和IC的尺寸就變得至關(guān)重要了，以防止產(chǎn)生光柵波瓣（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)字波束成形

設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)整體系統(tǒng)目標(biāo)來設(shè)置模擬/數(shù)字波束成形的相控陣信號(hào)流。每種類型的電子設(shè)計(jì)都需要折中和權(quán)衡取舍。有關(guān)信號(hào)流設(shè)計(jì)的通用示例，請(qǐng)參見圖13。

圖13：模擬/數(shù)字波束成形相控陣設(shè)計(jì)架構(gòu)的通用信號(hào)流設(shè)計(jì)。（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(diǎn)（圖14、圖15）。

圖15：完整的評(píng)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(shí)，出現(xiàn)更多類似本文提到的技術(shù)創(chuàng)新。相信它們?cè)?G之外的空間也會(huì)得到更多應(yīng)用。