毫米波在5G应用中的关键技术.docx

该【毫米波在5G应用中的关键技术 】是由【科技星球】上传分享，文档一共【20】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【毫米波在5G应用中的关键技术 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。毫米波在5G应用中的关键技术
 
 
钟 旻
1 引言
天线技术和射频收发信机电路技术，是5G中毫米波应用得以成功实现的关键技术。之前毫米波通信已有若干实际应用，以60GHz的应用为例，已有了军事上的战场通信，更为广泛的是商用WiFi传输， WiGig标准，利用60GHz频段约2GHz带宽资源，，，将可提供20Gb/s的吞吐量。但5G中因网络拓扑更为复杂，对传输设备要求更高，使毫米波的运用面临更大的挑战。
2 毫米波天线技术[1][2][3]
在5G的应用中，无论是各种基站和包括手机在内的用户设备，都将会采用多天线结构，这是因为在电波传播中，毫米波遭遇比微波更为严重的自由空间传播损耗、大气吸收和降雨等衰减，以及地形地物的阻挡造成的传播损耗，需要高天线增益来克服或补偿；另一方面，由于毫米波波长较短，使天线较易具有
“电小”特性，即有利于天线的小型化。例如，对于阵列天线，谐振型阵元的尺寸为半波长（λ/2），而为了避免产生栅瓣，天线阵元间相距（d）也为半波长（λ/2），当工作于毫米波频率时，与工作于微波频率相比，能在较小的空间里安装更多阵元。图1给出了基站用阵列天线与用户设备阵列天线在不同工作频率下的比较。由图1可见，随着工作频率的增加，二维天线尺寸明显下降。对于尺寸严格受限的手机等用户设备来说，为实现多天线工作提供了可能性；对于宏区基站，则可构成大规模天线阵列，产生三维空间大量可实现空分多址（接入）的多波束，凸显出毫米波应用的巨大潜力。
图1 基站用阵列天线与用户设备阵列天线在不同工作频率下的比较
在5G应用中，广泛地采用微带阵列天线产生波束扫描或多波束。此外，也有利用微带阵列与介质透镜组合获得波束扫描或多波束的功能。
微带阵列天线
矩形和圆形微带贴片可作为微带阵列天线的阵元。以矩形贴片为例，如图2（a）所示。贴片宽度为W，长度为λ/2，介质基片的相对介电常数＜10， RT5880。理论分析表明，沿长度宽边两端的边缘（X方向）电场分量，因相位相同，在Z向的辐射场叠加，为最大的辐射方
向。其辐射方向图如图2（b）所示。所谓天线辐射方向图（简称方向图），是指距离给定时天线的辐射特性，如场强幅度，辐射功率密度等。
图2 利用矩形金属贴片的微带阵元天线（a）和辐射方向图（b）
当利用多个单元排列组成阵列时，利用叠加原理，可求得总的方向图。以图3所示的N元等间距线阵为例。根据天线理论，在距天线足够远处（称为远区）的观察点的合成场强，等于直线阵中N个天线单元在该点产生场强的线性叠加。则此直线阵的辐射方向图最后表示为
则称为阵列因子，它仅与阵元个数、间距、激励电流的幅度和相位有关。图1便是利用矩形阵元构成的平面阵列天线，通过控制各阵元激励电流的相位，可获得所需要的扫描波束或多波束。
图3 N元等间距线阵列
相控阵天线
在上述等幅激励等间距直线阵中，若每阵元接入可控移相器，当激励电流在可控移相器的作用下相位随时间呈线性递增或递减时，天线方向图的最大指向（也即天线波束指向）也随之变化，即产生波束扫描。如图4所示。
图4 线阵天线在可控移相器作用下产生波束扫描
为产生多波束，通过计算，可设定每个可变移相器的相移值，将有关阵元收到的射频信号移相组合，或组合后再移相等处理，便可达到目的。以图5（a）所示的接收天线阵列为例，共有8个阵元，分别经过两两合路和移相，移相量分别为π/4、π/8、3π/8，最后形成图（b）所示的不同指向的8个接收波束的输出。图（a）中的混合器（电桥）和移相器构成了波束形成网络，它是由工作于毫米波的模拟电路实现的。所举例子是线阵列天线的情形，如推广到平面阵列，通过相应的波束形成网络，便可产生分布在三维立体空间的多波束。
图5 （a）利用移相器产生多波束举例（b）产生的8个不同指向的多波束
上述的波束扫描和多波束，是在射频上进行的，波束形成网络采用模拟元器件构成。实际上，也可用数字技术实现波束形成，这就是数字波束形成（DBF），此技术可应用于收、发模式。以接收模式为例，数字波束形成网络首先将天线
阵列各单元信号变换为基带信号，然后通过专用的数字信号处理器（ASIC），对基带信号进行幅度和相位加权等处理，以实现所要求的波束指向和波束形状控制及多波束形成。由于模数转换器取样速率的限制，通常是将接收到的射频信号下变频到中频后，再进行A/D变换。
通常DBF分为单元空间波束形成和波束空间波束形成两种。前者，是将各天线阵元输出的数字信号与一组加权系数直接进行加权和运算，在特定方向形成波束，对波束指向的调整等处理。后者，即波束空间波束形成，对于接收模式，是将阵列天线阵元的输出信号，经过A/D变换后，送到数字信号处理器，经数字下变频为数字基带信号，在数字波束形成器中，再经加权合成得到期望输出。在发射模式中，波束也是受到基带处理控制，多数据流和波束是同时产生的。图6是其组成示意图。
在移动通信中，基站应能动态地对用户进行跟踪，保持二者波束对准（图7），以使双方获得最佳的通信效果。一个解决方案是将基站和用户的相控阵天线加入自适应控制功能。以接收系统为例，其组成如图7所示。图中，由自适应处理器输出一组加权系数W1，W2，…，WN，对信号进行加权，使最终的输出达到期望值。实际上，这种加权，也就是随时改变移相器的相移量，达到波束动态跟踪的目的，为此，自适应处理器要采用某种自适应准则的算法。
图6 数字多波束形成示意图（本图来源：http：//）
图7 基站与用户站的波束对准
图8 自适应天线的基本组成
大规模MIMO与波束形成
多输入多输出（MIMO）是收、发两端均采用多天线，同时实现发送分集和接收分集，达到同时获得分集增益、阵列增益和复用增益的效果。其中，阵列增益是通过波束形成，使信号能量集中到多个特定方向，为在不同方向的多个用户同时提供业务。这在5G中是特别具有应用价值的。之前我们曾经介绍过5G的一些典型的场景，其中超密集的小区和诸多宽带业务，需要同时提供巨大的频谱资源支持，这样，空分复用将派上大用场。毫米波因其波长短，而能构成数百阵元的阵列天线，实现大规模的MIMO，为数以百十计的用户提供接入支持（图9）。
图9 利用大规模MIMO实现空分复用接入
要指出，利用射频模拟网络形成的波束数较多时，硬件实现将变得十分复杂，且调整困难，容易出现元件老化、工作点漂移等问题。另一方面，在数字波束形成中，需要比模拟波束形成更多的ADC和DAC，从而增加功耗，甚至难以承受的程度，这对用户设备尤为突出。一种可能的解决方案是采用低功耗、低复杂度的的DBF，例如利用数比特ADC来获得一个较好的折衷。这样，可将模拟与数字波束形成结合起来，构成混合的波束形成，其典型方案如图10所示。
在混合式的波束形成中，为了简化结构，天线阵列与毫米波移相网络常采用两种基本连接方式：交织和分区子阵架构，如图11所示。交织构成的子阵方式中，子阵的阵元分布在整个天线阵列面上，等效天线口面较大，因而产生的每一个波束较窄，方向性较强；分区子阵中，每个子阵阵元分布较为规则，易于与移相器网络连接，但每一子阵的等效天线中面积较小，所得到的波束较宽。方向性不如交织方式。关于在手机中的应用，文献[4]提出了一种基于分布式相控阵列的MIMO，如图12所示。它最大可处理8路数据流，可减少人体对手机天线方向图遮挡的影响。