圖1. 各種波束合成方法

 

在這裏，我們有數據轉換器，將數字信號與寬帶基帶或IF信號相互轉換，連接執行上變頻和下變頻處理的無線電收發器。在射頻（例如
，28 GHz）中
，我們將單個射頻路徑分成多條路徑，通過控製每個路徑的相位來執行波束合成

，從而在遠場朝目標用戶的方向形成波 束。這使得每條數據路徑都能引導單個波束
，因此理論上來說，我們可以使用該架構一次為一個用戶服務。

 

數(shu)字(zi)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)就(jiu)是(shi)字(zi)麵(mian)意(yi)思(si)。相(xiang)移(yi)完(wan)全(quan)在(zai)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)實(shi)現(xian)
，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)收(shou)發(fa)器(qi)陣(zhen)列(lie)饋(kui)送(song)到(dao)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)。簡(jian)單(dan)地(di)說(shuo)，每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)電(dian)收(shou)發(fa)器(qi)都(dou)連(lian)接(jie)到(dao)一(yi)個(ge)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)
，但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)電(dian)都(dou)可(ke)以(yi)有(you)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)
，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)所(suo)需(xu)扇(shan)區(qu)的(de)形(xing)狀(zhuang)。該(gai)數(shu)字(zi)方(fang)法(fa)可(ke)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)容(rong)量(liang)和(he)靈(ling)活(huo)性(xing)
，並(bing)支(zhi)持(chi)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)率(lv)的(de)多(duo)用(yong)戶(hu)MIMOfazhanguihua，leisiyuzhongpinxitong。zhefeichangfuza，kaolvdaomuqiankeyongdejishu，wulunshizaishepinhaishishuzidianluzhong，doujiangxiaohaoguoduodezhiliudian。raner
，suizheweilaijishudefazhan
，haomibowuxiandianjiangchuxianshuziboshuhecheng。

 

近期最實用
、最有效的波束合成方法是混合數模波束成型，它實質上是將數字預編碼和模擬波束合成結合起來

，在一個空間（空間複用）中zhong同tong時shi產chan生sheng多duo個ge波bo束shu。通tong過guo將jiang功gong率lv引yin導dao至zhi具ju有you窄zhai波bo束shu的de目mu標biao用yong戶hu

，基ji站zhan可ke以yi重zhong用yong相xiang同tong的de頻pin譜pu，同tong時shi在zai給gei定ding的de時shi隙xi中zhong為wei多duo個ge用yong戶hu服fu務wu。雖sui然ran文wen獻xian中zhong報bao道dao的de混hun合he波bo束shu成cheng型xing有you幾ji種zhong不bu同tong的de方fang法fa，但dan這zhe裏li顯xian示shi的de子zi陣zhen方fang法fa是shi最zui實shi際ji的de實shi現xian方fang法fa，本ben質zhi上shang是shi模mo擬ni波bo束shu成cheng型xing的de步bu驟zhou和he重zhong複fu。目mu前qian，報bao告gao的de係xi統tong實shi際ji上shang支zhi持chi2到8個數字流，可以用於同時支持單個用戶，或者向較少數量的用戶提供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選擇，即構建混合波束成型的構建模塊，如圖2所示。在這裏，我們將模擬波束合成係統分為三個模塊進行處理：數字、位wei到dao毫hao米mi波bo和he波bo束shu成cheng型xing。這zhe並bing非fei實shi際ji係xi統tong的de劃hua分fen方fang式shi，因yin為wei人ren們men會hui把ba所suo有you毫hao米mi波bo組zu件jian放fang在zai鄰lin近jin位wei置zhi以yi減jian少shao損sun耗hao，但dan是shi這zhe種zhong劃hua分fen的de原yuan因yin很hen快kuai就jiu會hui變bian得de很hen明ming顯xian。

 

 

圖2. 模擬波束合成係統方框圖

 

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re限xian製zhi等deng，是shi毫hao米mi波bo係xi統tong的de區qu段duan，隨sui著zhe行xing業ye的de學xue習xi和he成cheng熟shu，需xu要yao一yi定ding的de靈ling活huo性xing。即ji便bian如ru此ci

，仍reng將jiang繼ji續xu需xu要yao各ge種zhong傳chuan輸shu功gong率lv電dian平ping，以yi解jie決jue從cong小xiao型xing蜂feng窩wo到dao宏hong的de不bu同tong部bu署shu情qing形xing。另ling一yi方fang麵mian，用yong於yu基ji站zhan的de位wei到dao毫hao米mi波bo無wu線xian電dian需xu要yao的de靈ling活huo性xing則ze要yao小xiao得de多duo
，並bing且qie在zai很hen大da程cheng度du上shang可ke以yi從cong當dang前qianRelease 15規gui格ge中zhong派pai生sheng出chu來lai。換huan言yan之zhi，設she計ji人ren員yuan可ke以yi結jie合he多duo個ge波bo束shu成cheng型xing配pei置zhi重zhong用yong相xiang同tong的de無wu線xian電dian。這zhe與yu當dang前qian的de蜂feng窩wo無wu線xian電dian係xi統tong沒mei有you什shen麼me不bu同tong
，在zai這zhe些xie係xi統tong中zhong

，小xiao信xin號hao段duan跨kua平ping台tai很hen常chang見jian，而er且qie每mei個ge用yong例li的de前qian端duan更geng多duo都dou是shi定ding製zhi的de。

 

當我們從數字轉向天線時，就已經為信號鏈繪製了潛在技術的進展圖。當然，數字信號和混合信號都是在細線體CMOS工藝中產生的。根據基站的要求，整個信號鏈可以用CMOS開發
，或者更有可能的是
，采用多種技術的混合開發
，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 到毫米波轉換的CMOS數shu據ju轉zhuan換huan器qi。如ru圖tu所suo示shi，波bo束shu成cheng型xing可ke采cai用yong多duo種zhong技ji術shu實shi現xian，具ju體ti取qu決jue於yu係xi統tong需xu求qiu，我wo們men將jiang在zai下xia麵mian討tao論lun。根gen據ju所suo選xuan的de天tian線xian尺chi寸cun和he發fa射she功gong率lv要yao求qiu，可ke以yi實shi現xian高gao度du集ji成cheng的de矽gui方fang法fa
，也ye可ke以yi是shi矽gui波bo束shu成cheng型xing與yu離li散sanPA和LNA的組合。

 

在之前的工作中
，對變送器功率與技術選擇之間的關係進行了分析，在此不再全麵重複。但是，為了總結這一分析
，我們在圖3中包含了一個圖表。功率放大器技術的選擇基於綜合考慮所需的變送器功率、天線增益（元件數）和所選技術的RF發電能力。

 

圖3. 60 dBm EIRP的天線所需的變送器功率、天線尺寸和半導體技術選擇之間的關係

 

如圖所示，可以在前端使用II-V技術（低集成方法）或使用基於矽的高集成方法，通過較少的天線元件來實現所需的 EIRP。每種方法都有各自的優缺點，而實際的實現取決於工程在規模、重量、直流功耗和成本方麵的權衡。為了為表1中導出的案例生成60 dBm的EIRP，ADI 公司 Thomas Cameron 博士在2018 國際固態電路會議上的演示文稿“5G毫米波無線電的架構與技術”中進行的分析得出，最佳天線尺寸介於128至256個元件 之間
，較低的數量通過GaAs功率放大器實現，而較大的數量可 采用全矽波束成型基於RF IC的技術實現。

 

表1. 5G基站示例

 

現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，但數值可能更高或更低，具體取決於基站和周圍環境的期望範圍。由於部署情形變化很大，無論是樹木成蔭的地區
、街道峽穀地區，還是廣闊的空地
，都有大量的路徑損耗需要根據具體情況進行處理。例如，在假定為LOS的密集城市部署中，EIRP目標可能低至50 dBm。

 

FCC按設備類別設定有定義和發布的規格，以及發射功率限製
，這裏我們遵循基站的3GPP術語。如圖4所示
，設備類別或多或少地限定了功率放大器的技術選擇。

 

圖4. 基於變送器功率的各種毫米波無線電尺寸適配技術

 

雖然這不是一門精確的科學，但我們可以看到，移動用戶設備（手機）非常適合 CMOS技(ji)術(shu)，相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)天(tian)線(xian)數(shu)量(liang)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)變(bian)送(song)器(qi)功(gong)率(lv)。這(zhe)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)將(jiang)需(xu)要(yao)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)和(he)省(sheng)電(dian)才(cai)能(neng)滿(man)足(zu)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)。本(ben)地(di)基(ji)站(zhan)（小型蜂窩）和消費者終端設備（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的一係列技術。中程基站非常適合SiGe BiCMOS技 術，可實現緊湊的外形尺寸。在高端
，對於廣域基站來說，可以應用各種技術，具體取決於對天線尺寸和技術成本的權衡。盡管可在60 dBm EIRP範圍內應用SiGe BiCMOS

，但GaAs或GaN功率放大器更適合更高的功率。

 

圖4顯(xian)示(shi)了(le)當(dang)前(qian)技(ji)術(shu)的(de)快(kuai)照(zhao)，但(dan)行(xing)業(ye)正(zheng)在(zai)取(qu)得(de)很(hen)大(da)進(jin)展(zhan)
，技(ji)術(shu)也(ye)在(zai)不(bu)斷(duan)改(gai)進(jin)，而(er)提(ti)高(gao)毫(hao)米(mi)波(bo)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)直(zhi)流(liu)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)是(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)麵(mian)臨(lin)的(de)主(zhu)要(yao)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)。

 

隨著新技術和PAjiagoudechuxian，shangmiandequxianjiangfashengbianhua
，bingjiangweigaogonglvjizhantigongjichengdugenggaodejiegou。zuihouwomenzaifuxiyixiashangmiandeguandian，duiboshuchengxingbufenjinxingzongjie——目前還沒有一種萬能的方法，可能需要設計各種前端設計來解決從小型蜂窩到宏的各種用例。

 

 

推薦閱讀：

 

輕小型無人機多光譜遙感技術應用進展
教你一眼看穿電路故障的原因