O que é Formação de Feixe Híbrida?

O beamforming é um método de transmissão importante que envolve o uso de arranjos de antenas em um sistema sem fio para transmitir energia eletromagnética em uma direção específica. Mais sistemas sem fio estão expandindo sua capacidade de lidar com múltiplos usuários (ou alvos) com beamforming e MIMO. Isso já é utilizado em radar, WiFi e em sistemas de comunicação de alta largura de banda mais recentes (5G). Para o projetista de sistemas, é importante entender os requisitos de layout para os arranjos de antenas nesses sistemas, que estão relacionados aos métodos de beamforming usados em sistemas RF.

Quando se trata de beamforming, pode haver alguma confusão quanto à distinção do MIMO, e às vezes os dois são mencionados como não relacionados entre si. Isso só é verdade em um caso especial, mas, em geral, o MIMO multiusuário (MU-MIMO) requer beamforming para direcionar um sinal modulado a múltiplos alvos.

Neste artigo, vamos olhar para a implementação de beamforming em um método avançado que combina técnicas analógicas e digitais, conhecido como beamforming híbrido. Este método mescla técnicas digitais e analógicas para criar múltiplos feixes e, assim, alcançar múltiplos usuários com intensidades variáveis. No caso de um sistema de imagem RF ou um sistema de radar, o beamforming híbrido em uma técnica MIMO também permite o rastreamento de múltiplos alvos com resolução ajustável.

Visão Geral do Beamforming Híbrido

Antes de olharmos para a metodologia de design de sistemas para beamforming híbrido, acho importante uma breve visão geral dos métodos de beamforming analógico e digital. Beamforming é uma técnica para engenharia da distribuição de emissão de uma antena de tal forma que a energia eletromagnética é direcionada ao longo de um caminho ou ângulo específico.

A estrutura chave necessária para realizar o beamforming é um arranjo de antenas, ou um grupo de antenas espaçadas regularmente em duas dimensões. Controlando as fases relativas e as amplitudes dos sinais enviados para o arranjo em fase, você pode controlar a direção do feixe emitido. O número de feixes possíveis que podem ser emitidos pode ser dobrado ao explorar a polarização, ou emitindo radiação eletromagnética apenas em uma direção de cada emissor no arranjo.

Beamforming Analógico

O beamforming analógico opera enviando um sinal para múltiplas antenas em um arranjo de antenas. Os sinais enviados para cada antena são atrasados por uma janela de tempo específica, o que aplica uma diferença de fase à emissão emitida de cada antena no arranjo. Esses arranjos de antenas são mais conhecidos como arranjos em fase, e essa aplicação de diferença de fase historicamente tem sido o método dominante para beamforming em sistemas de RF.

Neste método, inserimos um único sinal (possivelmente modulado) na matriz de antenas; esse sinal é deslocado em fase por um transceptor antes de chegar a cada antena. O espaçamento entre as antenas determinará a direção do feixe e a intensidade dos lóbulos laterais. O aumento ideal de ganho será log(N), onde N é o número de antenas na matriz. Finalmente, a distribuição de intensidade ao longo de uma dimensão (mostrada abaixo) é um caso de difração de múltiplos emissores.

Essas matrizes podem ser escaneadas ajustando as fases. Para a matriz 2D, você pode projetar o campo de visão de tal forma que o ângulo máximo de varredura na direção vertical dependa dos seguintes fatores:

• O comprimento de onda de emissão (no espaço livre)
• O tamanho do elemento radiante (tamanho vertical no exemplo acima)
• A distância entre elementos radiantes (distância vertical no exemplo acima)

A mesma ideia se aplica na direção horizontal. Agora você teria duas direções de varredura ortogonais, e estas podem ter resoluções diferentes dependendo do tamanho, número e densidade dos elementos de antena radiante. Vou examinar isso mais a fundo em um artigo futuro, pois é um tópico importante em algumas áreas importantes do design de RF.

Formação de Feixe Digital

A formação de feixe digital adota uma abordagem diferente e é muito menos intuitiva. Na formação de feixe digital, múltiplos sinais modulados são enviados para o arranjo de antenas, e as fases e amplitudes dos sinais enviados ao arranjo são combinadas para produzir o padrão de feixe desejado. O caso mais básico usa uma única corrente de dados de entrada (como pontos de constelação QAM) enviada a múltiplas antenas, e as amplitudes são combinadas para produzir o padrão de emissão desejado.

A formação de feixe digital é, na verdade, um caso especial de um tipo mais avançado de transmissão chamado precodificação. O padrão de feixe pode ser definido como uma soma de produtos de uma onda portadora e uma função de distribuição espacial (Y). A relação entre o sinal emitido de cada elemento (y) e o sinal de entrada para cada elemento (x) é definida em uma matriz de precodificação, conforme mostrado abaixo:

O ponto chave aqui é determinar a matriz de precodificação definida acima. Isso envolve trabalhar de trás para frente a partir do padrão de emissão desejado (o conjunto de funções y) e resolver um sistema de equações para os N elementos radiantes. Isso pode ser feito em software ou em um controlador de sistema (FPGA). A emissão pode então produzir múltiplos feixes a partir do mesmo arranjo em diferentes direções e/ou em diferentes janelas de tempo.

A questão da janela de tempo (essencialmente a multiplexação por divisão de tempo) não é apropriada para algo como o 5G com MU-MIMO, onde a multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM) é usada para permitir a transmissão de subportadoras ortogonais moduladas independentemente. Além disso, o beamforming é usado para possibilitar a multiplexação espacial dentro do arranjo, o que é essencial para alcançar múltiplos usuários.

Beamforming Híbrido (Digital + Analógico)

Agora, acho que podemos olhar mais de perto para o beamforming híbrido. No beamforming híbrido, estamos combinando o beamforming digital com o analógico usando subarranjos. Primeiro, vamos pensar em como isso funciona com um conjunto de fluxos de dados de entrada (x).

1. O conjunto de fluxos de dados de entrada é primeiro pré-codificado como no beamforming digital.
2. Em vez de enviar o fluxo diretamente para todo o arranjo, os fluxos pré-codificados são enviados para formadores de feixe analógicos individuais, ou subarranjos.
3. O fluxo enviado para cada subarranjo é então deslocado em fase para produzir um feixe apenas daquele subarranjo, que é direcionado ao usuário final.

Isso segue a descrição delineada no diagrama de blocos abaixo.

A partir da imagem acima, espero que fique claro o que está acontecendo em cada antena. As antenas estão utilizando precodificação para definir uma superposição entre múltiplos feixes para vários fluxos de dados a fim de alcançar a multiplexação espacial. Contanto que todos os elementos na matriz de precodificação sejam não-zero e complexos, então todos os sinais são enviados para todas as antenas, mas com combinações de amplitude/fase misturadas para cada fluxo de entrada. O resultado é a formação de feixe desejada para cada fluxo de dados de entrada.

É assim que você pode obter uma maior taxa de transferência com um sistema RF que deve transmitir para múltiplos alvos; você pode transmitir em múltiplos portadores ortogonais no mesmo intervalo de tempo enquanto usa a formação de feixe para impor a multiplexação espacial. Com algo como a detecção mmWave, você pode então transmitir múltiplos feixes e rastrear múltiplos alvos, ou você pode simplesmente construir uma nuvem de pontos extremamente densa sem as complicações de um sistema óptico como o lidar.

Onde Tudo é Colocado em uma PCB?

Em algum momento, as antenas na matriz precisarão ser colocadas em uma PCB e conectadas ao controlador do sistema/transceptores.

Em termos da estrutura em um layout de PCB, você pode pensar que precisa separar cada subconjunto analógico em uma região diferente da PCB. Isso não é necessariamente o caso, mas fazer dessa maneira pode facilitar a colocação e o roteamento. Isso ocorre porque a unidade de controle do formador de feixe analógico tem que definir uma fase definida apenas entre as antenas no subconjunto, em vez de entre todas as antenas em todos os lugares. Também é difícil co-localizar todos os transceptores e os controladores digitais; espaçá-los em diferentes subconjuntos é muito mais fácil.

Para ver o que quero dizer, dê uma olhada na imagem abaixo com um sistema puramente analógico. Um oscilador de sistema é necessário para sincronizar todos os elementos transceptores no sistema, e cada transceptor pode então aplicar a fase necessária em sua própria seção do conjunto. O problema surge na necessidade de aplicar ajuste de comprimento em todos os elementos transceptores.

Eventualmente, isso requer um número excessivo de camadas com impedância controlada para alcançar cada transceptor enquanto mantém a fase de temporização em todo o sistema. À medida que o conjunto escala, você pode precisar colocar os chips de controle no verso, o que exigirá que as linhas de alimentação sejam trazidas para as antenas com vias.

Com uma abordagem de formação de feixe híbrida, o controlador principal do sistema está sincronizando vários elementos ADC/DAC + PA com uma interface digital rápida e um relógio embutido (como o JESD204C). Isso significa que você terá uma dependência reduzida na sincronização de um oscilador RF em todo o seu sistema, pois isso só será necessário dentro dos subarranjos.

Além desses pontos de colocação e roteamento, certifique-se de seguir algumas das melhores práticas padrão de design de PCB RF para design de empilhamento, design de linha de transmissão e design de via. O ponto sobre o design de via é muito importante porque colocar todas as antenas pode ocupar muito espaço, então os transceptores podem precisar ser colocados no lado de trás da placa com roteamento digital em camadas internas.

• Aprenda os fundamentos do design de empilhamento de PCB RF híbrido
• Saiba mais sobre o design de linha de transmissão de alta frequência
• Saiba mais sobre o design da cadeia de sinal para sistemas RF

Considerações Finais

A formação de feixe analógica pode rapidamente se tornar não escalável quando aplicada em grandes arranjos. Para sistemas MIMO de menor tamanho, possivelmente com múltiplos transceptores, a sincronização em nível de sistema que precisa ser imposta na formação de feixe analógica pode ser muito difícil. O problema é a necessidade de estender o oscilador principal do sistema através dos elementos transceptores de modo que a emissão do arranjo seja sincronizada em todos os lugares.

Você pode estar pensando "ei, eu não projeto equipamentos de estação base 5G, então por que preciso saber disso?" Essas técnicas com formação de feixe vão além do 5G e são usadas em outras áreas de aplicação importantes:

• Radares de arranjo em fase
• Novos sistemas de detecção mmWave, especificamente em ADAS
• Imagem por ultrassom
• Padrões IEEE 802.11 (especificamente WiFi 5 e posteriores)
• Sonar

Os designs de arranjo em fase dependem de mais do que apenas antenas. Você terá que entender onde colocar e rotear sinais para garantir que as fases e amplitudes dos emissores tenham os valores que você pretende em toda a matriz. Para aplicações eletromagnéticas, antenas de arranjo em fase podem ser facilmente colocadas em um layout de PCB como polígonos, mas esteja atento aos desafios de colocação e roteamento descritos acima.

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