¿Qué es la conformación de haz híbrida?

El conformado de haz es un método de transmisión importante que involucra el uso de arreglos de antenas en un sistema inalámbrico para transmitir energía electromagnética en una dirección específica. Más sistemas inalámbricos están expandiendo su capacidad para manejar múltiples usuarios (o blancos) con conformado de haz y MIMO. Esto ya se utiliza en radar, WiFi y en sistemas de comunicación de alta banda ancha más nuevos (5G). Para el diseñador de sistemas, es importante entender los requisitos de diseño para los arreglos de antenas en estos sistemas, los cuales están relacionados con los métodos de conformado de haz utilizados en sistemas RF.

Cuando se trata de conformado de haz, puede haber cierta confusión en cuanto a cualquier distinción de MIMO, y a veces se afirma que los dos no están relacionados entre sí. Esto solo es cierto en un caso especial, pero en general, el MIMO multiusuario (MU-MIMO) requiere conformado de haz para dirigir una señal modulada a múltiples blancos.

En este artículo, veremos la implementación del conformado de haz en un método avanzado que combina técnicas analógicas y digitales, conocido como conformado de haz híbrido. Este método mezcla técnicas digitales y analógicas para crear múltiples haces y así alcanzar a múltiples usuarios con intensidades variables. En el caso de un sistema de imágenes RF o un sistema de radar, el conformado de haz híbrido en una técnica MIMO también permite el seguimiento de múltiples blancos con resolución ajustable.

Visión General del Conformado de Haz Híbrido

Antes de analizar la metodología de diseño de sistemas para la conformación de haces híbrida, creo que es importante una breve descripción general de los métodos de conformación de haces analógicos y digitales. La conformación de haces es una técnica para ingeniar la distribución de emisión desde una antena de tal manera que la energía electromagnética se dirija a lo largo de un camino o ángulo específico.

La estructura clave necesaria para realizar la conformación de haces es un arreglo de antenas, o un grupo de antenas espaciadas regularmente en dos dimensiones. Al controlar las fases relativas y las amplitudes de las señales enviadas al arreglo de fases, puedes controlar la dirección del haz emitido. El número de haces posibles que se pueden emitir se puede duplicar aún más explotando la polarización, o emitiendo radiación electromagnética solo en una dirección desde cada emisor en el arreglo.

Conformación de Haces Analógica

La conformación de haces analógica opera enviando una señal a múltiples antenas en un arreglo de antenas. Las señales enviadas a cada antena se retrasan por una ventana de tiempo específica, lo que aplica una diferencia de fase a la emisión emitida desde cada antena en el arreglo. Estos arreglos de antenas son mejor conocidos como arreglos de fases, y esta aplicación de diferencia de fase ha sido históricamente el método dominante para la conformación de haces en sistemas RF.

En este método, introducimos una señal única (posiblemente modulada) en el arreglo de antenas; esta señal es desplazada en fase por un transceptor antes de llegar a cada antena. El espaciado entre antenas determinará la dirección del haz y la intensidad de los lóbulos laterales. El aumento ideal de ganancia será log(N), donde N es el número de antenas en el arreglo. Finalmente, la distribución de intensidad a lo largo de una dimensión (mostrada a continuación) es un caso de difracción de múltiples emisores.

Estos arreglos pueden ser escaneados ajustando las fases. Para el arreglo 2D, puedes diseñar el campo de visión de tal manera que el ángulo máximo de escaneo en la dirección vertical dependa de los siguientes factores:

• La longitud de onda de emisión (en el espacio libre)
• El tamaño del elemento radiante (tamaño vertical en el ejemplo anterior)
• La distancia entre elementos radiantes (distancia vertical en el ejemplo anterior)

La misma idea se aplica en la dirección horizontal. Ahora tendrías dos direcciones de escaneo ortogonales, y estas pueden tener diferentes resoluciones dependiendo del tamaño, número y densidad de elementos de antena radiantes. Profundizaré mucho más en este tema en un artículo próximo, ya que es un tema importante en algunas áreas clave del diseño RF.

Conformación de Haz Digital

La formación de haces digitales adopta un enfoque diferente y es mucho menos intuitiva. En la formación de haces digitales, se envían múltiples señales moduladas a la matriz de antenas, y las fases y amplitudes de las señales enviadas a la matriz se combinan para producir el patrón de haz deseado. El caso más básico utiliza una única corriente de datos de entrada (como puntos de constelación QAM) enviada a múltiples antenas, y las amplitudes se combinan para producir el patrón de emisión deseado.

La formación de haces digitales es en realidad un caso especial de un tipo de transmisión más avanzado llamado precodificación. El patrón de haz puede definirse como una suma de productos de una onda portadora y una función de distribución espacial (Y). La relación entre la señal emitida por cada elemento (y) y la señal de entrada a cada elemento (x) se define en una matriz de precodificación como se muestra a continuación:

La clave aquí es determinar la matriz de precodificación definida anteriormente. Esto implica trabajar hacia atrás desde el patrón de emisión deseado (el conjunto de funciones y) y resolver un sistema de ecuaciones para los N elementos radiantes. Esto se puede hacer en software o en un controlador del sistema (FPGA). La emisión puede entonces producir múltiples haces desde la misma matriz en diferentes direcciones y/o en diferentes ventanas de tiempo.

El problema de la ventana de tiempo (esencialmente multiplexación por división de tiempo) no es apropiado para algo como 5G con MU-MIMO, donde se utiliza la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para permitir la transmisión de subportadoras ortogonales moduladas de manera independiente. Además, se utiliza la conformación de haz para habilitar la multiplexación espacial dentro del arreglo, lo cual es esencial para alcanzar a múltiples usuarios.

Conformación de Haz Híbrida (Digital + Analógica)

Ahora creo que podemos observar más de cerca la conformación de haz híbrida. En la conformación de haz híbrida, estamos combinando la conformación de haz digital con la conformación de haz analógica usando subarreglos. Primero, pensemos en cómo funciona esto con un conjunto de flujos de datos de entrada (x).

1. El conjunto de flujos de datos de entrada se precodifica como en la conformación de haz digital.
2. En lugar de enviar el flujo directamente a todo el arreglo, los flujos precodificados se envían a conformadores de haz analógicos individuales, o subarreglos.
3. El flujo enviado a cada subarreglo luego se desplaza en fase para producir un haz solo de ese subarreglo, que está dirigido al usuario final.

Esto sigue la descripción esbozada en el diagrama de bloques a continuación.

A partir de la imagen anterior, espero que quede claro lo que está sucediendo en cada antena. Las antenas están utilizando la precodificación para definir una superposición entre múltiples haces para varios flujos de datos con el fin de lograr el multiplexado espacial. Mientras todos los elementos en la matriz de precodificación sean no nulos y complejos, entonces todas las señales se envían a todas las antenas, pero con combinaciones de amplitud/fase mezcladas para cada flujo de entrada. El resultado es la conformación de haz deseada para cada flujo de datos de entrada.

Así es como puedes obtener un mayor rendimiento con un sistema RF que debe transmitir a múltiples objetivos; puedes transmitir en múltiples portadoras ortogonales en la misma ventana de tiempo mientras usas la conformación de haz para imponer el multiplexado espacial. Con algo como la detección mmWave, entonces puedes transmitir múltiples haces y rastrear múltiples objetivos, o simplemente puedes construir una nube de puntos extremadamente densa sin las complicaciones de un sistema óptico como el lidar.

¿Dónde se Coloca Todo en un PCB?

En algún momento, las antenas en el arreglo necesitarán ser colocadas en un PCB y conectadas al controlador del sistema/transceptores.

En términos de la estructura en un diseño de PCB, podrías pensar que debes separar cada subarreglo analógico en una región diferente del PCB. Eso no es necesariamente así, pero hacerlo de esta manera podría facilitar mucho la colocación y el enrutamiento. Esto se debe a que la unidad de control del formador de haz analógico tiene que establecer una fase definida solo entre las antenas en el subarreglo, en lugar de entre todas las antenas en todas partes. También es difícil colocar todos los transceptores y los controladores digitales juntos; espaciarlos en diferentes subarreglos es mucho más fácil.

Para ver a qué me refiero, echa un vistazo a la imagen a continuación con un sistema puramente analógico. Se necesita un oscilador del sistema para sincronizar todos los elementos transceptores en el sistema, y cada transceptor puede entonces aplicar la fase requerida a través de su propia sección del arreglo. El problema surge en la necesidad de aplicar ajuste de longitud a través de todos los elementos transceptores.

Eventualmente, esto requiere un exceso de capas con impedancia controlada para alcanzar cada transceptor mientras se mantiene la fase de tiempo a través del sistema. A medida que el arreglo escala, puede ser necesario colocar los chips de control en el lado posterior, lo que requerirá que las líneas de alimentación se introduzcan en las antenas con vías.

Con un enfoque de conformación de haz híbrido, el controlador principal del sistema sincroniza múltiples elementos ADC/DAC + PA con una interfaz digital rápida y un reloj integrado (como JESD204C). Esto significa que tendrás una menor dependencia de la sincronización de un oscilador de RF en todo tu sistema, ya que esto solo será necesario dentro de los subarreglos.

Además de estos puntos de colocación y enrutamiento, asegúrate de seguir algunas de las mejores prácticas estándar de diseño de PCBs de RF para el diseño de apilamiento, diseño de líneas de transmisión y diseño de vías. El punto sobre el diseño de vías es muy importante porque colocar todas las antenas puede ocupar mucho espacio, por lo que los transceptores podrían necesitar ser colocados en el lado posterior de la placa con enrutamiento digital en capas internas.

• Aprende los fundamentos del diseño de apilamiento de PCBs de RF híbridos
• Aprende más sobre el diseño de líneas de transmisión de alta frecuencia
• Aprende más sobre el diseño de la cadena de señal para sistemas de RF

Reflexiones finales

La conformación de haz analógica puede volverse rápidamente no escalable cuando se aplica sobre grandes arreglos. Para sistemas MIMO de huella más pequeña, posiblemente con múltiples transceptores, la sincronización a nivel de sistema que necesita ser impuesta en la conformación de haz analógica puede ser muy difícil. El problema es la necesidad de extender el oscilador principal del sistema a través de los elementos transceptores para que la emisión del arreglo esté sincronizada en todas partes.

Podrías estar pensando "oye, no diseño equipos para estaciones base 5G, ¿entonces por qué necesito saber esto?" Estas técnicas con conformación de haz van más allá del 5G y se utilizan en otras áreas de aplicación importantes:

• Radares de arreglo de fases
• Nuevos sistemas de detección mmWave, específicamente en ADAS
• Imagen por ultrasonido
• Normas IEEE 802.11 (específicamente WiFi 5 y posteriores)
• Sonar

Los diseños de arreglo de fases dependen de más que solo antenas. Tendrás que entender dónde colocar y enrutar señales para asegurar que las fases y amplitudes de los emisores tengan los valores que pretendes a lo largo de todo el arreglo. Para aplicaciones electromagnéticas, las antenas de arreglo de fases pueden colocarse fácilmente en un diseño de PCB como polígonos, pero ten en cuenta los desafíos de colocación y enrutamiento mencionados anteriormente.

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