波束控制：5G 的眾多技術(shù)之一

5G 新無(wú)線電 （5GNR） 將嚴(yán)重依賴(lài)波束控制來(lái)最大化數(shù)據(jù)吞吐量，尤其是在用于發(fā)送和接收毫米波 （mmWave） 頻率時(shí)。從大約 24 GHz 開(kāi)始，與微波信號(hào)相比，毫米波信號(hào)提供了巨大的帶寬。但這是有代價(jià)的：信號(hào)損失。波束控制，也稱(chēng)為波束成形，通過(guò)將信號(hào)集中在目標(biāo)上而不是向各個(gè)方向傳輸信號(hào)來(lái)最大限度地減少損失。該技術(shù)使用可以通過(guò)軟件模擬的多個(gè)天線。

圖 1所示的陣列天線 由 256 個(gè)天線組成，排列在 16 × 16 的網(wǎng)格中，以 28 GHz 傳輸 64-QAM 數(shù)據(jù)信號(hào)。是德科技與 Anokiwave 和 Ball Aerospace 合作，在 2018 年國(guó)際微波研討會(huì)上展示了波束控制。

圖 1：由 256 個(gè)天線組成的陣列使用 16 × 16 的網(wǎng)格來(lái)引導(dǎo)波束朝向目標(biāo)。圖片：馬丁·羅。

該陣列由 64 個(gè) Anokiwave 四核 IC 驅(qū)動(dòng)，其中每個(gè) IC 驅(qū)動(dòng)四個(gè)天線元件。該天線可以使用所有 256 個(gè)元件形成單個(gè)可操縱波束，或每個(gè)使用 64 個(gè)元件形成四個(gè)獨(dú)立可控波束。

波束控制可以使用模擬 （RF）、數(shù)字或混合方法。在模擬波束控制（圖 2）中，單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 為八個(gè)天線提供信號(hào)。

圖 2：模擬天線系統(tǒng)對(duì)所有天線使用單個(gè) ADC。圖片：Anokiwave。

雖然模擬波束控制最大限度地減少了 ADC 的數(shù)量，但它存在諸如相移、RMS 相位誤差和 RMS 幅度誤差作為頻率函數(shù)的問(wèn)題。此外，所有信號(hào)處理——移相和信號(hào)衰減/放大——都必須在天線上進(jìn)行。因此，它僅適用于高度集成的 IC。您也失去了可以形成的光束數(shù)量的靈活性。

完整的數(shù)字信號(hào)鏈在每個(gè)天線上使用專(zhuān)用的 ADC/DAC 對(duì)進(jìn)行發(fā)送/接收。這樣的架構(gòu)提供了最大的波束成形靈活性，但它是不切實(shí)際的。ADC 的高成本和它們產(chǎn)生的過(guò)多熱量使數(shù)字光束轉(zhuǎn)向沒(méi)有吸引力。因此，一種混合方法正在占據(jù)一席之地。 圖 3 顯示了圖 2中相同的八個(gè)天線， 由兩個(gè) ADC 驅(qū)動(dòng)，每個(gè) ADC 處理四個(gè)天線。這種方法提供了良好的波束成形靈活性，同時(shí)消除了數(shù)字波束控制的挑戰(zhàn)。

圖 3：在混合系統(tǒng)中，每個(gè) ADC 為多個(gè)天線生成信號(hào)。圖片：Anokiwave。

Anokiwave 的客戶(hù)工程師 Logan Minard 解釋了公司 IC 中使用的信號(hào)鏈（圖 4）：“Common”不是指共同的信號(hào)返回，而是指分別包含在發(fā)送和接收信號(hào)鏈中的 ADC 和 DAC 電路。 來(lái)自 ADC 的模擬信號(hào)進(jìn)入 Wilkinson 功率分配器，然后是幅度和相位控制以及功率放大器 （PA）。另一個(gè)開(kāi)關(guān)將信號(hào)連接到天線。

在接收端，接收到的信號(hào)首先通過(guò)低噪聲放大器 （LNA），然后通過(guò) Wilkinson 組合器和溫度補(bǔ)償器，后者根據(jù)溫度調(diào)整信號(hào)增益，他繼續(xù)說(shuō)道。

圖 4：Anokiwave AWMF-0108 的框圖顯示了發(fā)送和接收信號(hào)鏈。圖片：Anokiwave。

在微波研討會(huì)演示中，光束從視軸轉(zhuǎn)向 ±30°，盡管陣列能夠從視軸轉(zhuǎn)向高達(dá) ±60°?！耙坏囊曒S角度超過(guò) 60°，就會(huì)發(fā)生過(guò)度的掃描損耗，從而使天線增益下降到可接受的水平以下，”Minard 說(shuō)。設(shè)計(jì)波束控制系統(tǒng)需要對(duì)天線陣列、無(wú)線電組件（放大器、濾波器、混頻器、移相器等）和傳輸通道進(jìn)行仿真。你是如何開(kāi)始的？

對(duì)相控陣天線和其他 5GNR 組件進(jìn)行建模并不意味著您必須開(kāi)發(fā)自己的模型。多家公司的建模和仿真軟件可以為您處理這些數(shù)字。只需向他們提供您的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：

頻率

天線增益

旁瓣電平

介電常數(shù)等材料特性

陣列幾何

陣列中每個(gè)天線的加權(quán)

相移均衡電平

要設(shè)計(jì)一個(gè)陣列，首先要對(duì)單個(gè)天線元件進(jìn)行建模，然后將這些特性放大以形成一個(gè)陣列。圖 5 顯示了元件模型、8 × 8 陣列和陣列的旁瓣電平。

圖 5：使用 COMSOL Multiphysics 軟件，您可以對(duì)槽耦合微帶貼片天線陣列進(jìn)行建模。圖片：COMSOL Multiphysics。

仿真軟件可讓您輸入一系列參數(shù)并在查看信號(hào)模式的同時(shí)逐步執(zhí)行這些參數(shù)。在 MATLAB 的 Antenna Toolbox 中，您可以在仿真 App 中輸入一系列值，也可以編寫(xiě)腳本來(lái)自動(dòng)執(zhí)行該過(guò)程并在參數(shù)更改時(shí)查看結(jié)果。

軟件使用顏色和與天線的距離來(lái)表示模擬的天線方向圖。圖 6中的顏色 突出了單個(gè)元件相對(duì)于各向同性天線 （dBi） 的方向性，以分貝為單位。

圖 6：MATLAB 等軟件模擬單個(gè)天線的輻射方向圖，單位為 dBi。紅色表示信號(hào)相對(duì)于各向同性天線的最強(qiáng)差異。圖片：MathWorks。

雖然了解相控陣天線的預(yù)期響應(yīng)很重要，但如果一個(gè)單元發(fā)生故障會(huì)發(fā)生什么？COMSOL 射頻模塊技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理 Jiyoun Munn 表示：“仿真軟件可以生成電場(chǎng)每個(gè)維度分量的體積圖和曲面圖，這有助于診斷網(wǎng)絡(luò)和單個(gè)陣列元素的異常行為。”

相控陣可以由子陣列組成，如在混合系統(tǒng)的情況下?！耙部梢阅M故障子陣列，”MathWorks 相控陣系統(tǒng)工具箱和信號(hào)處理工具箱產(chǎn)品經(jīng)理 Rick Gentile 補(bǔ)充道?！叭绻雨嚵谐霈F(xiàn)故障，許多元素可能會(huì)丟失，因?yàn)閭鬏?接收模塊是共享的?！?/p>

隨著 5G 的推出，相控陣可能會(huì)變得司空見(jiàn)慣。更大的陣列，例如 64 × 64 和更大的陣列，將用于基站和小型蜂窩中的毫米波頻率。較小的陣列，如 2 × 2 或 4 × 4 可能會(huì)集成到手機(jī)中。