波束控制：5G 的众多技术之一

5G 新无线电 （5GNR） 将严重依赖波束控制来最大化数据吞吐量，尤其是在用于发送和接收毫米波 （mmWave） 频率时。从大约 24 GHz 开始，与微波信号相比，毫米波信号提供了巨大的带宽。但这是有代价的：信号损失。波束控制，也称为波束成形，通过将信号集中在目标上而不是向各个方向传输信号来最大限度地减少损失。该技术使用可以通过软件模拟的多个天线。

图 1所示的阵列天线 由 256 个天线组成，排列在 16 × 16 的网格中，以 28 GHz 传输 64-QAM 数据信号。是德科技与 Anokiwave 和 Ball Aerospace 合作，在 2018 年国际微波研讨会上展示了波束控制。

图 1：由 256 个天线组成的阵列使用 16 × 16 的网格来引导波束朝向目标。图片：马丁·罗。

该阵列由 64 个 Anokiwave 四核 IC 驱动，其中每个 IC 驱动四个天线元件。该天线可以使用所有 256 个元件形成单个可操纵波束，或每个使用 64 个元件形成四个独立可控波束。

波束控制可以使用模拟 （RF）、数字或混合方法。在模拟波束控制（图 2）中，单个模数转换器 （ADC） 为八个天线提供信号。

图 2：模拟天线系统对所有天线使用单个 ADC。图片：Anokiwave。

虽然模拟波束控制最大限度地减少了 ADC 的数量，但它存在诸如相移、RMS 相位误差和 RMS 幅度误差作为频率函数的问题。此外，所有信号处理——移相和信号衰减/放大——都必须在天线上进行。因此，它仅适用于高度集成的 IC。您也失去了可以形成的光束数量的灵活性。

完整的数字信号链在每个天线上使用专用的 ADC/DAC 对进行发送/接收。这样的架构提供了最大的波束成形灵活性，但它是不切实际的。ADC 的高成本和它们产生的过多热量使数字光束转向没有吸引力。因此，一种混合方法正在占据一席之地。 图 3 显示了图 2中相同的八个天线， 由两个 ADC 驱动，每个 ADC 处理四个天线。这种方法提供了良好的波束成形灵活性，同时消除了数字波束控制的挑战。

图 3：在混合系统中，每个 ADC 为多个天线生成信号。图片：Anokiwave。

Anokiwave 的客户工程师 Logan Minard 解释了公司 IC 中使用的信号链（图 4）：“Common”不是指共同的信号返回，而是指分别包含在发送和接收信号链中的 ADC 和 DAC 电路。 来自 ADC 的模拟信号进入 Wilkinson 功率分配器，然后是幅度和相位控制以及功率放大器 （PA）。另一个开关将信号连接到天线。

在接收端，接收到的信号首先通过低噪声放大器 （LNA），然后通过 Wilkinson 组合器和温度补偿器，后者根据温度调整信号增益，他继续说道。

图 4：Anokiwave AWMF-0108 的框图显示了发送和接收信号链。图片：Anokiwave。

在微波研讨会演示中，光束从视轴转向 ±30°，尽管阵列能够从视轴转向高达 ±60°。“一旦从视轴角度超过 60°，就会发生过度的扫描损耗，从而使天线增益下降到可接受的水平以下，”Minard 说。设计波束控制系统需要对天线阵列、无线电组件（放大器、滤波器、混频器、移相器等）和传输通道进行仿真。你是如何开始的？

对相控阵天线和其他 5GNR 组件进行建模并不意味着您必须开发自己的模型。多家公司的建模和仿真软件可以为您处理这些数字。只需向他们提供您的设计参数，包括：

频率

天线增益

旁瓣电平

介电常数等材料特性

阵列几何

阵列中每个天线的加权

相移均衡电平

要设计一个阵列，首先要对单个天线元件进行建模，然后将这些特性放大以形成一个阵列。图 5 显示了元件模型、8 × 8 阵列和阵列的旁瓣电平。

图 5：使用 COMSOL Multiphysics 软件，您可以对槽耦合微带贴片天线阵列进行建模。图片：COMSOL Multiphysics。

仿真软件可让您输入一系列参数并在查看信号模式的同时逐步执行这些参数。在 MATLAB 的 Antenna Toolbox 中，您可以在仿真 App 中输入一系列值，也可以编写脚本来自动执行该过程并在参数更改时查看结果。

软件使用颜色和与天线的距离来表示模拟的天线方向图。图 6中的颜色 突出了单个元件相对于各向同性天线 （dBi） 的方向性，以分贝为单位。

图 6：MATLAB 等软件模拟单个天线的辐射方向图，单位为 dBi。红色表示信号相对于各向同性天线的最强差异。图片：MathWorks。

虽然了解相控阵天线的预期响应很重要，但如果一个单元发生故障会发生什么？COMSOL 射频模块技术产品经理 Jiyoun Munn 表示：“仿真软件可以生成电场每个维度分量的体积图和曲面图，这有助于诊断网络和单个阵列元素的异常行为。”

相控阵可以由子阵列组成，如在混合系统的情况下。“也可以模拟故障子阵列，”MathWorks 相控阵系统工具箱和信号处理工具箱产品经理 Rick Gentile 补充道。“如果子阵列出现故障，许多元素可能会丢失，因为传输/接收模块是共享的。”

随着 5G 的推出，相控阵可能会变得司空见惯。更大的阵列，例如 64 × 64 和更大的阵列，将用于基站和小型蜂窝中的毫米波频率。较小的阵列，如 2 × 2 或 4 × 4 可能会集成到手机中。