本文將以有趣和獨特的技術設計示例來介紹毫米波(mmWave)波束成形和天線技術的各個方面。

波束成形

天線陣列中每個單獨的小天線因為陣列因數而導致發射訊號方向不一,而波束成形網路(BFN)可以將它們發射的訊號組合成更具方向性的圖案。波束成形器可用於雷達和通訊系統,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;另一個通訊示例是在衛星中使用的二維(2D)波束成形器,可以從多個點覆蓋寬闊的地面區域。

就像經典的相位陣列雷達系統一樣,BFN可以提供同步波束覆蓋,例如衛星或單點覆蓋。設計中可以將波束固定,也可以利用波束控制電腦控制實現波束自我調整。有兩種主要的相位陣列波束成形網路:被動電子可控天線(PESA)和主動電子可控天線(AESA)。

布魯克林5G峰會

在使用者設備(UE,包括最終使用者透過網路通訊所使用的任何設備)中提供5G,現在是一個非常熱門的話題。諾基亞(Nokia)和紐約大學(NYU)Tandon工程學院的NYU無線研究中心在2018年4月底舉辦了第五屆布魯克林5G峰會(B5GS),其中兩個主要議題就是英特爾(Intel)提出的5G毫米波相位陣列和高通(Qualcomm)展示的5G UE相位陣列設計。

Qualcomm資深技術總監Ozge Koymen發表了5G UE相位陣列設計的演講,並討論了這項設計工作帶來的挑戰,包括:

  • 快速切換和穩定時間;
  • 在效率和熱性能方面儘量減少後功率放大器(PA)損耗;
  • 儘量減少前LNA損耗以改善鏈路預算;
  • UE的空間限制;
  • 降低成本;
  • 兩種極化的球形覆蓋。

本節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探討了一種手持設備的前後天線模組(圖1)。

20190313TA31P1 圖1 前後天線模組。(圖片來源:Qualcomm)

Koymen認為使用多個模組有助於減少手部阻擋,並可以降低方向的影響。在掌上型UE設備中有兩種流行的配置:表面設計和邊緣設計(圖2)。

20190313TA31P2 圖2 手持UE設備的兩種常用配置。(圖片來源:Qualcomm)

Koymen提出的表面設計使用兩個模組,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組,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後,Koymen得出採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;基於RF/數位波束碼本(codebook)的24個波束覆蓋所有模組/對應於P-1/2/3初始掃描和波束細化,是建議的實用方案;而最佳天線選擇(傳統/LTE設計),則是一種悲觀的下限方案。稍後將詳細討論MRC和多解析度碼本。

Qualcomm開發了一種可支援幾種可能天線設計的RFIC,並將其用於一種智慧型手機演示,展示了自我調整波束成形和波束追蹤。8個RF前端(RFFE)模組中的每一個都支援X、Y和Z方向上的多個可選天線陣列,行動設備製造商現在可以儘早開始最佳化他們的特定設備了。

MRC

來看看MRC架構。這是一種非常簡單有效的自我調整天線陣列組合方案,有助於在一定程度上降低雜訊、衰減和同通道干擾的影響。這種架構確實需要估算陣列上所關注訊號的空間特徵,即每個天線元件處的通道增益和相位,圖3提供了一種經典的MRC接收器架構。

20190313TA31P3 圖3 經典的預檢測MRC接收器架構。(圖片來源:《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》)

《Maximal-ratio combining architectures and performance with channel estimation based on a training sequence》一文中提出了一種MRC接收的通用分析框架,其中期望訊號的空間特徵是透過與已知訓練序列的相關性來估算。

圖4a描述了一種在檢測之前在基頻處進行組合的架構。上述參考文章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。

20190313TA31P4a 圖4a 具有單獨通道和載波追蹤的MRC接收器。這裡是一個基頻組合預檢測MRC接收器,它使用了載波相位抖動的基頻補償。(圖片來源:與圖3相同)

圖4b利用可調的延遲元件或移相器進行了加權,然後,單個載波恢復環路在完成匹配濾波之前將組合訊號帶到基頻。該方法透過將N個下變頻器變為一個下變頻器和一個上變頻器,降低了RF硬體的複雜性。

20190313TA31P4b 圖4b 帶有單獨通道和載波追蹤的MRC接收器。這裡是使用單載波恢復環路的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,其後是可調衰減器。(圖片來源:與圖3相同)

最終結果是以理想SNR為條件的歸一化SNR(其倒數是訓練損耗)pdf的推導。這是在非衰落環境和不相關的瑞利衰落(Rayleigh-fading)環境中獲得各種性能結果的基礎,可以發現訓練損耗在衰落環境中對中斷概率的影響遠大於對平均誤碼率(BER)的影響。

對於系統設計來說,這些結果在確定所需的訓練序列長度和實際評估系統的性能(包括對不完美估計的影響,但無需借助模擬)方面是有用的。

多解析度碼本

碼本是一種用於收集和儲存程式碼的文檔。最初的碼本是書本,但今天的碼本代表一系列程式碼的完整記錄,無論它採用什麼物理格式。

為了克服毫米波頻段的較高路徑損耗,採用大規模多重輸入多重輸出(MIMO)系統的高度定向波束成形就至關重要。由於使用高解析度窄波束發出所有可能的波束方向需要大量訓練開銷,通道估計的問題變得頗具有挑戰性。為了解決和改善毫米波系統中波束搜索的問題,《Multi-Resolution Codebook Based Beamforming Sequence Design in Millimeter-Wave Systems》一文中描述了一種多解析度波束成形序列的設計,可以以二分方式快速搜索出主要通道方向。考慮到多解析度碼本,所提出的多解析度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。這篇文章也討論了如何使用相移版離散傅立葉轉換(DFT)矩陣來設計多解析度碼本。

5G毫米波相位陣列

在第五屆布魯克林5G峰會期間,英特爾資深技術總監Batjit Singh討論了該公司的毫米波陣列。其中,有一個關於5G 28GHz汽車移動性的話題特別引起了我的興趣。

英特爾採用一種可提供360度覆蓋的四面板設計,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最佳化和設計。他們的多次現場試驗已經展示並證明了這種毫米波系統(26.5GHz~29.5GHz),如圖5。

20190313TA31P5 圖5 英特爾5G 28GHz汽車移動系統。(圖片來源:英特爾)

該試驗在日本和韓國及其他國家進行。測試有助於評估一些關鍵的毫米波參數,諸如調變和編碼方案(MCS)、接收訊號強度指示(RSSI)、偏置接收訊號功率(BRSP)性能,以及幀內/幀間基頻單元(BBU)切換等。圖6所示的測試車在車頂後端安裝了這種系統。

20190313TA31P6 圖6 英特爾5G汽車移動系統測試車,車頂後端採用5G毫米波相位陣列系統。(圖片來源:英特爾)

在提高未來自動駕駛車的安全性方面,我特別看好V2X技術,而5G將會推動這一系統的發展。

羅特曼透鏡波束成形(Rotman Lens beamforming)

來看看這種波束成形方法,這對無人機避撞、交通監控和入侵偵測至關重要。

除了檢測物體之外,雷達還可以測量物體的範圍和徑向速度。無論白天還是夜晚,在大多數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這種功能。

尺寸、重量和功耗(SWaP)要求在感測器簡化和視場角估計功能之間有所取捨,一個很好的折衷方案是採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——這可以透過平面羅特曼透鏡來實現。

工作在24GHz ISM頻段的多通道調頻連續波(FMCW)雷達可以完成這項任務。接收(RX)天線基於RL和採用微帶(microstrip)技術設計的貼片天線陣列;發射(TX)天線採用BFN和貼片天線陣列。使用的系統基於IMST 24GHz多功能雷達產品Sentire sR-1200e。

雷達系統

圖7這一雷達系統前端的主要元件是採用平面微帶技術實現的9×14 RL。這種方法最早是在1963年由Walter Rotman提出,當時他展示了一種微波透鏡用於波束成形。這種透鏡可採用平行板、波導或襯底整合波導(SIW)結構來做成,以用於天線元件的線性波束陣列。羅特曼透鏡設計的基礎運算所採用的數學框架可參考Peter S.Simon的論文《Analysis and Synthesis of Rotman Lenses》(圖9)。

20190313TA31P7 圖7 《Multiple target detection using Rotman Lens beamforming》中提出的雷達系統框架圖。

20190313TA31P8 圖8 波束成形器的佈局顯示TX和RX波束成形網路,包括天線埠和羅特曼透鏡分配網路。(圖片來源:《Analysis and Synthesis of Rotman Lenses》)

整合相位陣列IC解決方案:設計人員實用的解決方案

相位陣列雷達系統正朝著可以改善SWaP性能的平板陣列發展。數位模組整合到晶片中使下一代波束成形成為可能,GaN元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-元件輸入端RF功率/電源直流功率。

我非常喜歡ADI提出的Plank架構,它使用新的ADAR1000元件創建了出色的評估系統,這是一種非常獨特的Tile X/Ku波段分時雙工(TDD)數位波束成形器。《Massive MIMO Performance—TDD Versus FDD: What Do Measurements Say?》研究了分頻雙工(FDD)與TDD,並發現如果需要在各種傳輸條件下進行穩健的工作,基於倒易性的TDD波束成形是唯一可行的替代方案,圖9提供該元件的內部框架圖。

20190313TA31P9 圖9 ADAR1000的模組框架圖。(圖片來源:ADI)

這個新產品的優點不僅僅是驚人的高整合度,而且還有為設計師提供的評估板,可以使用Plank架構創建相位陣列天線板,其中IC是以垂直於天線板的方式安裝在板上。採取這種安裝方式,IC的尺寸就不那麼重要了,因為它們不必塞進天線設計的點陣間距中,這些工具將為開發人員節省設計和產品上市時間。

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。若採用這種類型的配置,天線點陣間距和IC的尺寸就變得至關重要了,以防止產生光閘波瓣(grating lobes),如圖10所示。

20190313NP01P10 圖10 平板陣列設計架構。(圖片來源:ADI)

相位陣列訊號流中的類比/數位波束成形

設計人員可以根據整體系統目標來設置類比/數位波束成形的相位陣列訊號流。每種類型的電子設計都需要折衷和權衡取捨,有關訊號流設計的通用示例,請參見圖11。

20190313NP01P11 圖11 類比/數位波束成形相位陣列設計架構的通用訊號流設計。(圖片來源:ADI)

具有類比/數位(混合)波束成形的完整X/Ku波段陣列

這裡就是ADI收購Hittite微波和凌力爾特(Linear Technology)這兩家公司的真正亮點(圖12)。

20190313TA31P12 圖12 具有類比/數位(混合)波束成形的X/Ku波段陣列。(圖片來源:ADI)

希望在我們的生活走向5G時,出現更多類似本文提到的技術創新,相信它們在5G之外的空間也會得到更多應用。

(參考原文: Millimeter wave beamforming and antenna design,by Steve Taranovich)