text: 天缐阵列中每个单独的小天缐因为阵列因数而导致发射讯号方向不一，而波束成形网路(BFN)可以将它们发射的讯号组合成更具方向性的图案。波束成形器可用于雷达和通讯系统，一个雷达示例是为汽车雷达提供一个能够在方位角上提供4个波束的缐性阵列；另一个通讯示例是在卫星中使用的二维(2D)波束成形器，可以从多个点覆盖宽阔的地面区域。
  就像经典的相位阵列雷达系统一样，BFN可以提供同步波束覆盖，例如卫星或单点覆盖。设计中可以将波束固定，也可以利用波束控制电脑控制实现波束自我调整。有两种主要的相位阵列波束成形网路：被动电子可控天缐(PESA)和主动电子可控天缐(AESA)。
  在使用者设备(UE，包括最终使用者透过网路通讯所使用的任何设备)中提供5G，现在是一个非常热门的话题。诺基亚(Nokia)和纽约大学(NYU)Tandon工程学院的NYU无缐研究中心在2018年4月底举办了第五届布鲁克林5G峰会(B5GS)，其中两个主要议题就是英特尔(Intel)提出的5G毫米波相位阵列和高通(Qualcomm)展示的5GUE相位阵列设计。
  Qualcomm资深技术总监OzgeKoymen发表了5GUE相位阵列设计的演讲，并讨论了这项设计工作带来的挑战，包括：
  Koymen认为使用多个模组有助于减少手部阻挡，并可以降低方向的影响。在掌上型UE设备中有两种流行的配置：表面设计和边缘设计(图2)。
  Koymen提出的表面设计使用两个模组，它们具有一个2×2交叉极化平面阵列、1×2和2×1偶极子阵列；边缘设计则使用三个模组，具有单个4×1交叉极化平面阵列。
  在考虑了多种类型的波束成形架构后，Koymen得出採用一种沿设备所有方向的最大比率组合(MRC)设计。他认为这是一种乐观的上限方案设计；基于RF/数位波束码本(codebook)的24个波束覆盖所有模组/对应于P-1/2/3初始扫描和波束细化，是建议的实用方案；而最佳天缐选择(传统/LTE设计)，则是一种悲观的下限方案。稍后将详细讨论MRC和多解析度码本。
  Qualcomm开发了一种可支援几种可能天缐设计的RFIC，并将其用于一种智慧型手机演示，展示了自我调整波束成形和波束追踪。8个RF前端(RFFE)模组中的每一个都支援X、Y和Z方向上的多个可选天缐阵列，行动设备制造商现在可以尽早开始最佳化他们的特定设备了。
  来看看MRC架构。这是一种非常简单有效的自我调整天缐阵列组合方案，有助于在一定程度上降低杂讯、衰减和同通道干扰的影响。这种架构确实需要估算阵列上所关注讯号的空间特徵，即每个天缐元件处的通道增益和相位，图3提供了一种经典的MRC接收器架构。
  《Maximal-ratiocombiningarchitecturesandperformancewithchannelestimationbasedonatrainingsequence》一文中提出了一种MRC接收的通用分析框架，其中期望讯号的空间特徵是透过与已知训练序列的相关性来估算。
  图4a描述了一种在检测之前在基频处进行组合的架构。上述参考文章的作者们还建议了一种在中频(IF)进行组合的更好的可能性。
  图4a具有单独通道和载波追踪的MRC接收器。这里是一个基频组合预检测MRC接收器，它使用了载波相位抖动的基频补偿。(图片来源：与图3相同)
  图4b利用可调的延迟元件或移相器进行了加权，然后，单个载波恢復环路在完成匹配滤波之前将组合讯号带到基频。该方法透过将N个下变频器变为一个下变频器和一个上变频器，降低了RF硬体的复杂性。
  图4b带有单独通道和载波追踪的MRC接收器。这里是使用单载波恢復环路的IF组合预检测MRC接收器，标有x的方框由可调延迟元件或移相器组成，其后是可调衰减器。(图片来源：与图3相同)
  最终结果是以理想SNR为条件的归一化SNR(其倒数是训练损耗)pdf的推导。这是在非衰落环境和不相关的瑞利衰落(Rayleigh-fading)环境中获得各种性能结果的基础，可以发现训练损耗在衰落环境中对中断概率的影响远大于对平均误码率(BER)的影响。
  对于系统设计来说，这些结果在确定所需的训练序列长度和实际评估系统的性能(包括对不完美估计的影响，但无需借助模拟)方面是有用的。
  码本是一种用于收集和储存程式码的文档。最初的码本是书本，但今天的码本代表一系列程式码的完整记录，无论它採用什么物理格式。
  为了克服毫米波频段的较高路径损耗，採用大规模多重输入多重输出(MIMO)系统的高度定向波束成形就至关重要。由于使用高解析度窄波束发出所有可能的波束方向需要大量训练开销，通道估计的问题变得颇具有挑战性。为了解决和改善毫米波系统中波束搜索的问题，《Multi-ResolutionCodebookBasedBeamformingSequenceDesigninMillimeter-WaveSystems》一文中描述了一种多解析度波束成形序列的设计，可以以二分方式快速搜索出主要通道方向。考虑到多解析度码本，所提出的多解析度波束成形序列被设计成在最小化训练开销和最大化波束成形增益之间取得平衡。这篇文章也讨论了如何使用相移版离散傅立叶转换(DFT)矩阵来设计多解析度码本。
  在第五届布鲁克林5G峰会期间，英特尔资深技术总监BatjitSingh讨论了该公司的毫米波阵列。其中，有一个关于5G28GHz汽车移动性的话题特別引起了我的兴趣。
  英特尔採用一种可提供360度覆盖的四面板设计，其面板切换、波束选择、波束切换时间等都针对移动性进行了最佳化和设计。他们的多次现场试验已经展示并证明了这种毫米波系统(26.5GHz~29.5GHz)，如图5。
  该试验在日本和韩国及其他国家进行。测试有助于评估一些关键的毫米波参数，诸如调变和编码方案(MCS)、接收讯号强度指示(RSSI)、偏置接收讯号功率(BRSP)性能，以及帧内/帧间基频单元(BBU)切换等。图6所示的测试车在车顶后端安装了这种系统。
  在提高未来自动驾驶车的安全性方面，我特別看好V2X技术，而5G将会推动这一系统的发展。
  来看看这种波束成形方法，这对无人机避撞、交通监控和入侵侦测至关重要。
  除了检测物体之外，雷达还可以测量物体的范围和径向速度。无论白天还是夜晚，在大多数天气条件下雷达都可以正常工作。在避免碰撞方面，雷达需要能够检测目标物体的角度，使用雷达的机械或电子可控窄天缐波束可以实现这种功能。
  尺寸、重量和功耗(SWaP)要求在感测器简化和视场角估计功能之间有所取捨，一个很好的折衷方案是採用能够生成多个固定窄天缐波束的前端，这样波束可以在不同方向上辐射出去。因此，每个波束将具有自己的离散视场角——这可以透过平面罗特曼透镜来实现。
  图7这一雷达系统前端的主要元件是採用平面微带技术实现的9×14RL。这种方法最早是在1963年由WalterRotman提出，当时他展示了一种微波透镜用于波束成形。这种透镜可採用平行板、波导或衬底整合波导(SIW)结构来做成，以用于天缐元件的缐性波束阵列。罗特曼透镜设计的基础运算所採用的数学框架可参考PeterS.Simon的论文《AnalysisandSynthesisofRotmanLenses》(图9)。
  相位阵列雷达系统正朝着可以改善SWaP性能的平板阵列发展。数位模组整合到晶片中使下一代波束成形成为可能，GaN元件可以提供大功率和出色的功率附加效率(PAE)，即到负载的RF功率-元件输入端RF功率/电源直流功率。
  我非常喜欢ADI提出的Plank架构，它使用新的ADAR1000元件创建了出色的评估系统，这是一种非常独特的TileX/Ku波段分时双工(TDD)数位波束成形器。《MassiveMIMOPerformance—TDDVersusFDD:WhatDoMeasurementsSay?》研究了分频双工(FDD)与TDD，并发现如果需要在各种传输条件下进行稳健的工作，基于倒易性的TDD波束成形是唯一可行的替代方案，图9提供该元件的内部框架图。
  这个新产品的优点不仅仅是惊人的高整合度，而且还有为设计师提供的评估板，可以使用Plank架构创建相位阵列天缐板，其中IC是以垂直于天缐板的方式安装在板上。採取这种安装方式，IC的尺寸就不那么重要了，因为它们不必塞进天缐设计的点阵间距中，这些工具将为开发人员节省设计和产品上市时间。
  平板阵列也可以设计为在板的一面安装天缐元件，而在其背面安装IC。若採用这种类型的配置，天缐点阵间距和IC的尺寸就变得至关重要了，以防止产生光闸波瓣(gratinglobes)，如图10所示。
  设计人员可以根据整体系统目标来设置类比/数位波束成形的相位阵列讯号流。每种类型的电子设计都需要折衷和权衡取捨，有关讯号流设计的通用示例，请参见图11。
  这里就是ADI收购Hittite微波和凌力尔特(LinearTechnology)这两家公司的真正亮点(图12)。
  希望在我们的生活走向5G时，出现更多类似本文提到的技术创新，相信它们在5G之外的空间也会得到更多应用。