Qu'est-ce que la formation de faisceaux hybride ?

Le beamforming est une méthode de diffusion importante qui implique l'utilisation de réseaux d'antennes dans un système sans fil pour transmettre de l'énergie électromagnétique dans une direction spécifique. De plus en plus de systèmes sans fil étendent leur capacité à gérer plusieurs utilisateurs (ou cibles) avec le beamforming et le MIMO. Cela est déjà utilisé dans le radar, le WiFi et dans les systèmes de communication à large bande passante plus récents (5G). Pour le concepteur de systèmes, il est important de comprendre les exigences de disposition pour les réseaux d'antennes dans ces systèmes, qui sont liées aux méthodes de beamforming utilisées dans les systèmes RF.

Lorsqu'il s'agit de beamforming, il peut y avoir une certaine confusion quant à toute distinction du MIMO, et les deux sont parfois déclarés comme n'étant pas liés l'un à l'autre. Cela n'est vrai que dans un cas spécial, mais en général, le MIMO multi-utilisateur (MU-MIMO) nécessite le beamforming pour diriger un signal modulé vers plusieurs cibles.

Dans cet article, nous examinerons la mise en œuvre du beamforming dans une méthode avancée combinant des techniques analogiques et numériques, connue sous le nom de beamforming hybride. Cette méthode mélange à la fois les techniques numériques et analogiques pour créer plusieurs faisceaux et ainsi atteindre plusieurs utilisateurs avec des intensités variables. Dans le cas d'un système d'imagerie RF ou d'un système radar, le beamforming hybride dans une technique MIMO permet également le suivi de plusieurs cibles avec une résolution ajustable.

Aperçu du Beamforming Hybride

Avant d'examiner la méthodologie de conception de systèmes pour le beamforming hybride, je pense qu'un bref aperçu des méthodes de beamforming analogique et numérique est important. Le beamforming est une technique permettant de diriger la distribution d'émission d'une antenne de sorte que l'énergie électromagnétique soit dirigée le long d'un chemin ou d'un angle spécifique.

La structure clé nécessaire pour effectuer le beamforming est un réseau d'antennes, ou un groupe d'antennes régulièrement espacées en deux dimensions. En contrôlant les phases relatives et les amplitudes des signaux envoyés au réseau phasé, vous pouvez contrôler la direction du faisceau émis. Le nombre de faisceaux possibles qui peuvent être émis peut être doublé en exploitant la polarisation, ou en émettant uniquement un rayonnement électromagnétique dans une direction depuis chaque émetteur dans le réseau.

Beamforming Analogique

Le beamforming analogique fonctionne en envoyant un signal à plusieurs antennes dans un réseau d'antennes. Les signaux envoyés à chaque antenne sont retardés par une fenêtre de temps spécifique, ce qui applique une différence de phase à l'émission émise par chaque antenne dans le réseau. Ces réseaux d'antennes sont mieux connus sous le nom de réseaux phasés, et cette application de la différence de phase a historiquement été la méthode dominante pour le beamforming dans les systèmes RF.

Dans cette méthode, nous injectons un signal unique (éventuellement modulé) dans le réseau d'antennes ; ce signal est déphasé par un émetteur-récepteur avant d'atteindre chaque antenne. L'espacement entre les antennes déterminera la direction du faisceau et l'intensité des lobes secondaires. L'augmentation idéale du gain sera log(N), où N est le nombre d'antennes dans le réseau. Enfin, la distribution d'intensité le long d'une dimension (illustrée ci-dessous) est un cas de diffraction provenant de plusieurs émetteurs.

Ces réseaux peuvent être balayés en ajustant les phases. Pour le réseau 2D, vous pouvez concevoir le champ de vision de sorte que l'angle de balayage maximal dans la direction verticale dépend des facteurs suivants :

• La longueur d'onde d'émission (dans l'espace libre)
• La taille de l'élément rayonnant (taille verticale dans l'exemple ci-dessus)
• La distance entre les éléments rayonnants (distance verticale dans l'exemple ci-dessus)

La même idée s'applique dans la direction horizontale. Vous auriez maintenant deux directions de balayage orthogonales, et celles-ci peuvent avoir des résolutions différentes en fonction de la taille, du nombre et de la densité des éléments d'antenne rayonnants. Je vais examiner cela plus en profondeur dans un prochain article car c'est un sujet important dans quelques domaines clés de la conception RF.

Formation de faisceaux numérique

La formation de faisceaux numérique adopte une approche différente et est beaucoup moins intuitive. Dans la formation de faisceaux numérique, plusieurs signaux modulés sont envoyés à l'antenne, et les phases et les amplitudes des signaux envoyés à l'antenne sont combinées pour produire le motif de faisceau désiré. Le cas le plus basique utilise un seul flux de données d'entrée (tel que les points de constellation QAM) envoyé à plusieurs antennes, et les amplitudes sont combinées pour produire le motif d'émission souhaité.

La formation de faisceaux numérique est en fait un cas particulier d'un type de diffusion plus avancé appelé précodage. Le motif de faisceau peut être défini comme une somme de produits d'une onde porteuse et d'une fonction de distribution spatiale (Y). La relation entre le signal émis par chaque élément (y) et le signal d'entrée pour chaque élément (x) est définie dans une matrice de précodage comme indiqué ci-dessous :

L'élément clé ici est de déterminer la matrice de précodage définie ci-dessus. Cela implique de travailler à rebours à partir du motif d'émission souhaité (l'ensemble des fonctions y) et de résoudre un système d'équations pour les N éléments rayonnants. Cela peut être fait dans un logiciel ou dans un contrôleur de système (FPGA). L'émission peut alors produire plusieurs faisceaux à partir du même réseau dans différentes directions et/ou dans différentes fenêtres temporelles.

La problématique du fenêtrage temporel (essentiellement le multiplexage par répartition dans le temps) n'est pas adaptée pour quelque chose comme la 5G avec MU-MIMO, où le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) est utilisé pour permettre la diffusion de sous-porteuses orthogonales modulées indépendamment. De plus, le beamforming est utilisé pour permettre le multiplexage spatial au sein du réseau, ce qui est essentiel pour atteindre plusieurs utilisateurs.

Beamforming Hybride (Numérique + Analogique)

Maintenant, je pense que nous pouvons examiner de plus près le beamforming hybride. Dans le beamforming hybride, nous combinons le beamforming numérique avec le beamforming analogique en utilisant des sous-réseaux. D'abord, réfléchissons à comment cela fonctionne avec un ensemble de flux de données d'entrée (x).

1. L'ensemble des flux de données d'entrée est d'abord pré-codé comme dans le beamforming numérique.
2. Au lieu de transmettre directement le flux à l'ensemble du réseau, les flux pré-codés sont envoyés à des beamformers analogiques individuels, ou sous-réseaux.
3. Le flux envoyé à chaque sous-réseau est ensuite déphasé pour produire un faisceau uniquement à partir de ce sous-réseau, qui est dirigé vers l'utilisateur final.

Cela suit la description décrite dans le schéma de bloc ci-dessous.

À partir de l'image ci-dessus, j'espère qu'il est clair ce qui se passe au niveau de chaque antenne. Les antennes utilisent le pré-codage pour définir une superposition parmi plusieurs faisceaux pour plusieurs flux de données afin d'atteindre le multiplexage spatial. Tant que tous les éléments dans la matrice de pré-codage sont non nuls et complexes, alors tous les signaux sont envoyés à toutes les antennes, mais avec des combinaisons d'amplitude/phase mélangées pour chaque flux d'entrée. Le résultat est la formation de faisceau souhaitée pour chaque flux de données d'entrée.

C'est ainsi que vous pouvez obtenir un débit plus élevé avec un système RF qui doit diffuser vers plusieurs cibles ; vous pouvez diffuser sur plusieurs porteuses orthogonales dans la même fenêtre temporelle tout en utilisant la formation de faisceau pour imposer le multiplexage spatial. Avec quelque chose comme la détection mmWave, vous pouvez alors diffuser plusieurs faisceaux et suivre plusieurs cibles, ou vous pouvez simplement construire un nuage de points extrêmement dense sans les complications d'un système optique comme le lidar.

Où est placé tout sur un PCB ?

À un certain moment, les antennes du réseau devront être placées sur un PCB et connectées au contrôleur/transmetteurs du système.

En ce qui concerne la structure dans un agencement de PCB, vous pourriez penser que vous devez séparer chaque sous-réseau analogique dans une région différente du PCB. Ce n'est pas nécessairement le cas, mais le faire de cette manière pourrait rendre le placement et le routage beaucoup plus faciles. Cela est dû au fait que l'unité de contrôle du formateur de faisceaux analogiques doit établir une phase définie uniquement entre les antennes du sous-réseau, plutôt qu'entre toutes les antennes partout. Il est également difficile de co-localiser tous les émetteurs-récepteurs et les contrôleurs numériques ; les espacer dans différents sous-réseaux est beaucoup plus facile.

Pour voir ce que je veux dire, jetez un œil à l'image ci-dessous avec un système purement analogique. Un oscillateur de système est nécessaire pour synchroniser tous les éléments émetteurs-récepteurs dans le système, et chaque émetteur-récepteur peut alors appliquer la phase requise à travers sa propre section du réseau. Le problème survient dans le besoin d'appliquer un réglage de longueur à travers tous les éléments émetteurs-récepteurs.

Éventuellement, cela nécessite un nombre excessif de couches avec une impédance contrôlée pour atteindre chaque émetteur-récepteur tout en maintenant la phase de synchronisation à travers le système. À mesure que le réseau s'agrandit, vous pourriez avoir besoin de placer les puces de contrôle sur le côté arrière, ce qui nécessitera que les lignes d'alimentation soient amenées aux antennes avec des vias.

Avec une approche de formation de faisceaux hybride, le contrôleur principal du système synchronise plusieurs éléments ADC/DAC + PA avec une interface numérique rapide et une horloge intégrée (comme JESD204C). Cela signifie que vous aurez moins besoin de synchroniser un oscillateur RF sur l'ensemble de votre système, car cela ne sera nécessaire qu'au sein des sous-réseaux.

En plus de ces points de placement et de routage, assurez-vous de suivre certaines des meilleures pratiques standard de conception de PCB RF pour la conception de l'empilement, la conception de lignes de transmission et la conception de vias. Le point concernant la conception des vias est très important car placer toutes les antennes peut prendre beaucoup d'espace, donc les transceivers pourraient devoir être placés sur le côté arrière du circuit avec un routage numérique sur les couches internes.

• Apprenez les fondamentaux de la conception d'empilement de PCB RF hybride
• En savoir plus sur la conception de lignes de transmission haute fréquence
• En savoir plus sur la conception de la chaîne de signal pour les systèmes RF

Réflexions finales

La formation de faisceaux analogiques peut rapidement devenir non scalable lorsqu'elle est appliquée sur de grands réseaux. Pour les systèmes MIMO de plus petite empreinte, possiblement avec plusieurs transceivers, la synchronisation au niveau du système qui doit être imposée dans la formation de faisceaux analogiques peut être très difficile. Le problème est la nécessité d'étendre l'oscillateur principal du système à travers les éléments transceivers afin que l'émission de l'antenne soit synchronisée partout.

Vous pourriez penser : « Hé, je ne conçois pas d'équipement pour station de base 5G, alors pourquoi ai-je besoin de savoir cela ? » Ces techniques avec le beamforming vont au-delà de la 5G et sont utilisées dans d'autres domaines d'application importants :

• Radars à réseau phasé
• Nouveaux systèmes de détection mmWave, spécifiquement dans l'ADAS
• Imagerie par ultrasons
• Normes IEEE 802.11 (spécifiquement WiFi 5 et ultérieurs)
• Sonar

Les conceptions à réseau phasé reposent sur plus que de simples antennes. Vous devrez comprendre où placer et router les signaux pour garantir que les phases et les amplitudes émises aient les valeurs que vous envisagez sur l'ensemble du réseau. Pour les applications électromagnétiques, les antennes à réseau phasé peuvent être facilement placées dans une disposition de PCB sous forme de polygones, mais soyez attentif aux défis de placement et de routage mentionnés ci-dessus.

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