各種波束合成方法,你真的都了解嗎?

今天，我們來看一下各種波束合成方法：模擬、數(shù)字和混合，如圖1所示。

圖1. 各種波束合成方法

在這里，我們有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號與寬帶基帶或IF信號相互轉(zhuǎn)換，連接執(zhí)行上變頻和下變頻處理的無線電收發(fā)器。在射頻（例如，28 GHz）中，我們將單個射頻路徑分成多條路徑，通過控制每個路徑的相位來執(zhí)行波束合成，從而在遠(yuǎn)場朝目標(biāo)用戶的方向形成波束。這使得每條數(shù)據(jù)路徑都能引導(dǎo)單個波束，因此理論上來說，我們可以使用該架構(gòu)一次為一個用戶服務(wù)。

數(shù)字波束成型就是字面意思。相移完全在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)，然后通過收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。簡單地說，每個無線電收發(fā)器都連接到一個天線元件，但實(shí)際上每個無線電都可以有多個天線元件，具體取決于所需扇區(qū)的形狀。該數(shù)字方法可實(shí)現(xiàn)最大容量和靈活性，并支持毫米波頻率的多用戶MIMO發(fā)展規(guī)劃，類似于中頻系統(tǒng)。這非常復(fù)雜，考慮到目前可用的技術(shù)，無論是在射頻還是數(shù)字電路中，都將消耗過多的直流電。然而，隨著未來技術(shù)的發(fā)展，毫米波無線電將出現(xiàn)數(shù)字波束合成。

近期最實(shí)用、最有效的波束合成方法是混合數(shù)模波束成型，它實(shí)質(zhì)上是將數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束合成結(jié)合起來，在一個空間（空間復(fù)用）中同時產(chǎn)生多個波束。通過將功率引導(dǎo)至具有窄波束的目標(biāo)用戶，基站可以重用相同的頻譜，同時在給定的時隙中為多個用戶服務(wù)。雖然文獻(xiàn)中報(bào)道的混合波束成型有幾種不同的方法，但這里顯示的子陣方法是最實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法，本質(zhì)上是模擬波束成型的步驟和重復(fù)。目前，報(bào)告的系統(tǒng)實(shí)際上支持2到8個數(shù)字流，可以用于同時支持單個用戶，或者向較少數(shù)量的用戶提供2層或更多層的MIMO。

讓我們更深入地探討模擬波束成型的技術(shù)選擇，即構(gòu)建混合波束成型的構(gòu)建模塊，如圖2所示。在這里，我們將模擬波束合成系統(tǒng)分為三個模塊進(jìn)行處理：數(shù)字、位到毫米波和波束成型。這并非實(shí)際系統(tǒng)的劃分方式，因?yàn)槿藗儠阉泻撩撞ńM件放在鄰近位置以減少損耗，但是這種劃分的原因很快就會變得很明顯。

圖2. 模擬波束合成系統(tǒng)方框圖

波束成型功能受到許多因素的推動，包括分段形狀和距離、功率電平、路徑損耗、熱限制等，是毫米波系統(tǒng)的區(qū)段，隨著行業(yè)的學(xué)習(xí)和成熟，需要一定的靈活性。即便如此，仍將繼續(xù)需要各種傳輸功率電平，以解決從小型蜂窩到宏的不同部署情形。另一方面，用于基站的位到毫米波無線電需要的靈活性則要小得多，并且在很大程度上可以從當(dāng)前Release 15規(guī)格中派生出來。換言之，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合多個波束成型配置重用相同的無線電。這與當(dāng)前的蜂窩無線電系統(tǒng)沒有什么不同，在這些系統(tǒng)中，小信號段跨平臺很常見，而且每個用例的前端更多都是定制的。

當(dāng)我們從數(shù)字轉(zhuǎn)向天線時，就已經(jīng)為信號鏈繪制了潛在技術(shù)的進(jìn)展圖。當(dāng)然，數(shù)字信號和混合信號都是在細(xì)線體CMOS工藝中產(chǎn)生的。根據(jù)基站的要求，整個信號鏈可以用CMOS開發(fā)，或者更有可能的是，采用多種技術(shù)的混合開發(fā)，為信號鏈提供最佳性能。例如，一種常見的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF到毫米波轉(zhuǎn)換的CMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。如圖所示，波束成型可采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體取決于系統(tǒng)需求，我們將在下面討論。根據(jù)所選的天線尺寸和發(fā)射功率要求，可以實(shí)現(xiàn)高度集成的硅方法，也可以是硅波束成型與離散PA和LNA的組合。

在之前的工作中，對變送器功率與技術(shù)選擇之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，在此不再全面重復(fù)。但是，為了總結(jié)這一分析，我們在圖3中包含了一個圖表。功率放大器技術(shù)的選擇基于綜合考慮所需的變送器功率、天線增益（元件數(shù)）和所選技術(shù)的RF發(fā)電能力。

圖3. 60 dBm EIRP的天線所需的變送器功率、天線尺寸和半導(dǎo)體技術(shù)選擇之間的關(guān)系

如圖所示，可以在前端使用II-V技術(shù)（低集成方法）或使用基于硅的高集成方法，通過較少的天線元件來實(shí)現(xiàn)所需的EIRP。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而實(shí)際的實(shí)現(xiàn)取決于工程在規(guī)模、重量、直流功耗和成本方面的權(quán)衡。為了為表1中導(dǎo)出的案例生成60 dBm的EIRP，ADI 公司 Thomas Cameron 博士在2018 國際固態(tài)電路會議上的演示文稿“5G毫米波無線電的架構(gòu)與技術(shù)”中進(jìn)行的分析得出，最佳天線尺寸介于128至256個元件之間，較低的數(shù)量通過GaAs功率放大器實(shí)現(xiàn)，而較大的數(shù)量可采用全硅波束成型基于RF IC的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

表1. 5G基站示例

現(xiàn)在讓我們從不同的角度來研究這個問題。60 dBm EIRP是FWA常用的EIRP目標(biāo)，但數(shù)值可能更高或更低，具體取決于基站和周圍環(huán)境的期望范圍。由于部署情形變化很大，無論是樹木成蔭的地區(qū)、街道峽谷地區(qū)，還是廣闊的空地，都有大量的路徑損耗需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。例如，在假定為LOS的密集城市部署中，EIRP目標(biāo)可能低至50 dBm。

FCC按設(shè)備類別設(shè)定有定義和發(fā)布的規(guī)格，以及發(fā)射功率限制，這里我們遵循基站的3GPP術(shù)語。如圖4所示，設(shè)備類別或多或少地限定了功率放大器的技術(shù)選擇。

圖4. 基于變送器功率的各種毫米波無線電尺寸適配技術(shù)

雖然這不是一門精確的科學(xué)，但我們可以看到，移動用戶設(shè)備（手機(jī)）非常適合 CMOS技術(shù)，相對較低的天線數(shù)量可以達(dá)到所需的變送器功率。這種類型的無線電將需要高度集成和省電才能滿足便攜式設(shè)備的需求。本地基站（小型蜂窩）和消費(fèi)者終端設(shè)備（可移動電 源）要求類似，涉及從變送器功率要求低端的CMOS到更高端的SiGe BiCMOS的一系列技術(shù)。中程基站非常適合SiGe BiCMOS技 術(shù)，可實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸。在高端，對于廣域基站來說，可以應(yīng)用各種技術(shù)，具體取決于對天線尺寸和技術(shù)成本的權(quán)衡。盡管可在60 dBm EIRP范圍內(nèi)應(yīng)用SiGe BiCMOS，但GaAs或GaN功率放大器更適合更高的功率。

圖4顯示了當(dāng)前技術(shù)的快照，但行業(yè)正在取得很大進(jìn)展，技術(shù)也在不斷改進(jìn)，而提高毫米波功率放大器的直流功率效率是設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

隨著新技術(shù)和PA架構(gòu)的出現(xiàn)，上面的曲線將發(fā)生變化，并將為高功率基站提供集成度更高的結(jié)構(gòu)。最后我們再復(fù)習(xí)一下上面的觀點(diǎn)，對波束成型部分進(jìn)行總結(jié)——目前還沒有一種萬能的方法，可能需要設(shè)計(jì)各種前端設(shè)計(jì)來解決從小型蜂窩到宏的各種用例。