Что такое гибридная формирование луча?

Формирование луча является важным методом вещания, который включает использование массивов антенн в беспроводной системе для передачи электромагнитной энергии в определенном направлении. Все больше беспроводных систем расширяют свои возможности по обслуживанию множества пользователей (или целей) с помощью формирования луча и MIMO. Этот метод уже используется в радарах, WiFi и в новейших системах связи с высокой пропускной способностью (5G). Для системного дизайнера важно понимать требования к размещению антенных решеток в этих системах, которые связаны с методами формирования луча, используемыми в РЧ-системах.

Когда речь идет о формировании луча, может возникнуть некоторая путаница относительно различий с MIMO, и иногда говорят, что эти два понятия не связаны друг с другом. Это верно только в специальном случае, но в общем случае многопользовательское MIMO (MU-MIMO) требует формирования луча для направления модулированного сигнала к нескольким целям.

В этой статье мы рассмотрим реализацию формирования луча с помощью передового метода, сочетающего аналоговые и цифровые техники, известного как гибридное формирование луча. Этот метод сочетает в себе как цифровые, так и аналоговые техники для создания нескольких лучей и, таким образом, достижения нескольких пользователей с различной интенсивностью. В случае системы РЧ-визуализации или радарной системы гибридное формирование луча в технике MIMO также позволяет отслеживать несколько целей с регулируемым разрешением.

Обзор гибридного формирования луча

Прежде чем рассматривать методологию системного проектирования для гибридного формирования луча, я думаю, что важен краткий обзор методов аналогового и цифрового формирования луча. Формирование луча - это техника для инженерного проектирования распределения излучения от антенны таким образом, чтобы электромагнитная энергия направлялась вдоль определенного пути или угла.

Ключевая структура, необходимая для выполнения формирования луча, - это антенная решетка, или регулярно расположенная группа антенн в двух измерениях. Контролируя относительные фазы и амплитуды сигналов, отправляемых в фазированную антенную решетку, вы можете контролировать направление излучаемого луча. Количество возможных лучей, которые могут быть излучены, можно дополнительно удвоить, используя поляризацию, или излучая электромагнитное излучение только в одном направлении от каждого излучателя в решетке.

Аналоговое формирование луча

Аналоговое формирование луча работает, отправляя сигнал на несколько антенн в антенной решетке. Сигналы, отправленные на каждую антенну, задерживаются на определенное временное окно, что применяет разницу фаз к излучению, испускаемому каждой антенной в решетке. Эти антенные решетки лучше известны как фазированные антенные решетки, и это применение разницы фаз исторически было доминирующим методом для формирования луча в системах РЧ.

В этом методе мы подаем один сигнал (возможно, модулированный) на антенную решетку; этот сигнал сдвигается по фазе передатчиком перед достижением каждой антенны. Расстояние между антеннами будет определять направление луча и интенсивность боковых лепестков. Идеальное увеличение усиления будет log(N), где N - количество антенн в решетке. Наконец, распределение интенсивности вдоль одного измерения (показано ниже) является случаем дифракции от множества излучателей.

Эти решетки можно сканировать, регулируя фазы. Для двумерной решетки вы можете спроектировать поле зрения таким образом, чтобы максимальный угол сканирования в вертикальном направлении зависел от следующих факторов:

• Длина волны излучения (в свободном пространстве)
• Размер излучающего элемента (вертикальный размер в приведенном примере)
• Расстояние между излучающими элементами (вертикальное расстояние в приведенном примере)

Та же идея применима и в горизонтальном направлении. Теперь у вас будет два ортогональных направления сканирования, и они могут иметь разное разрешение в зависимости от размера, количества и плотности элементов излучающей антенны. Я рассмотрю это более подробно в предстоящей статье, поскольку это важная тема в нескольких ключевых областях проектирования РЧ.

Цифровое формирование луча

Цифровая формирование луча использует другой подход и является гораздо менее интуитивно понятным. В цифровом формировании луча несколько модулированных сигналов отправляются на антенную решетку, и фазы и амплитуды сигналов, отправленных на решетку, комбинируются для получения желаемого узора луча. В самом простом случае используется один поток входных данных (например, точки констелляции QAM), отправляемый на несколько антенн, и амплитуды комбинируются для получения желаемого узора излучения.

Цифровое формирование луча на самом деле является специальным случаем более продвинутого типа вещания, называемого предварительной кодировкой. Узор луча может быть определен как сумма произведений несущей волны и функции пространственного распределения (Y). Связь между излучаемым сигналом от каждого элемента (y) и входным сигналом на каждый элемент (x) определяется в матрице предварительной кодировки, как показано ниже:

Ключевым моментом здесь является определение матрицы предварительной кодировки, указанной выше. Это включает работу в обратном направлении от желаемого узора излучения (набор функций y) и решение системы уравнений для N излучающих элементов. Это может быть выполнено в программном обеспечении или в системном контроллере (FPGA). Затем излучение может производить несколько лучей из той же решетки в разных направлениях и/или в разные временные окна.

Проблема временного окна (по сути, мультиплексирование с разделением по времени) не подходит для чего-то вроде 5G с MU-MIMO, где используется ортогональное частотно-разделительное мультиплексирование (OFDM), позволяющее транслировать независимо модулированные ортогональные поднесущие. Кроме того, используется формирование луча для обеспечения пространственного мультиплексирования в массиве, что необходимо для связи с несколькими пользователями.

Гибридное (Цифровое + Аналоговое) Формирование Луча

Теперь, думаю, мы можем подробнее рассмотреть гибридное формирование луча. В гибридном формировании луча мы сочетаем цифровое формирование луча с аналоговым, используя подмассивы. Сначала давайте подумаем, как это работает с набором входных потоков данных (x).

1. Набор входных потоков данных сначала предварительно кодируется, как в цифровом формировании луча.
2. Вместо непосредственной передачи потока всему массиву, предварительно закодированные потоки отправляются на отдельные аналоговые формирователи луча или подмассивы.
3. Поток, отправленный на каждый подмассив, затем сдвигается по фазе, чтобы создать луч только от этого подмассива, который направлен на конечного пользователя.

Это соответствует описанию, изложенному в блок-схеме ниже.

Из приведенного выше изображения, надеюсь, понятно, что происходит на каждой антенне. Антенны используют предварительное кодирование для определения суперпозиции среди множества лучей для нескольких потоков данных с целью достижения пространственного мультиплексирования. До тех пор, пока все элементы в матрице предварительного кодирования ненулевые и комплексные, все сигналы отправляются на все антенны, но с различными комбинациями амплитуды/фазы для каждого входного потока. Результатом является желаемое формирование луча для каждого входного потока данных.

Вот как можно добиться более высокой пропускной способности с RF системой, которая должна транслировать сигнал на несколько целей; вы можете транслировать на несколько ортогональных несущих в одном и том же временном окне, используя формирование луча для обеспечения пространственного мультиплексирования. С помощью чего-то вроде mmWave сенсинга, вы можете затем транслировать несколько лучей и отслеживать несколько целей, или вы можете просто построить чрезвычайно плотное облако точек без сложностей оптической системы вроде лидара.

Где Все Размещается на Печатной Плате?

В какой-то момент антенны в массиве потребуется разместить на печатной плате и соединить с контроллером системы/передатчиками.

В контексте структуры разметки печатной платы (PCB) можно подумать, что необходимо разделить каждый аналоговый подмассив на разные области печатной платы. Однако это не всегда обязательно, но выполнение этого может значительно упростить размещение и трассировку. Это связано с тем, что блок управления аналоговым формирователем луча должен устанавливать определенную фазу только между антеннами в подмассиве, а не между всеми антеннами в целом. Также сложно совместить все приемопередатчики и цифровые контроллеры; размещение их в разных подмассивах значительно проще.

Чтобы понять, о чем я говорю, посмотрите на изображение ниже с чисто аналоговой системой. Для синхронизации всех элементов приемопередатчика в системе необходим системный генератор. Затем каждый приемопередатчик может применять необходимую фазу к своему собственному сегменту массива. Проблема заключается в необходимости настройки длины по всем элементам приемопередатчика.

В конечном итоге это требует избыточного количества слоев с контролируемым импедансом для достижения каждого приемопередатчика при сохранении фазы времени по всей системе. По мере масштабирования массива может потребоваться размещение управляющих микросхем на обратной стороне, что потребует прокладки линий питания к антеннам через переходные отверстия (виас).

С использованием гибридного формирования луча основной системный контроллер синхронизируется через множество элементов АЦП/ЦАП + УМ с быстрым цифровым интерфейсом и встроенными часами (например, JESD204C). Это означает, что вам будет нужно меньше зависеть от синхронизации радиочастотного генератора по всей вашей системе, поскольку это будет необходимо только внутри подмассивов.

Помимо этих моментов размещения и трассировки, убедитесь, что вы следуете некоторым стандартным лучшим практикам проектирования РЧ печатных плат для дизайна стека, дизайна линий передачи и дизайна переходных отверстий. Момент с дизайном переходных отверстий очень важен, поскольку размещение всех антенн может занять много места, так что приемопередатчики могут потребоваться разместить на обратной стороне платы с цифровой трассировкой на внутренних слоях.

• Изучите основы дизайна стека РЧ печатных плат
• Узнайте больше о дизайне высокочастотных линий передачи
• Узнайте больше о дизайне цепи сигналов для РЧ систем

Заключительные мысли

Аналоговое формирование луча может быстро стать не масштабируемым при применении к большим массивам. Для систем MIMO с меньшим размером, возможно, с несколькими приемопередатчиками, синхронизация на уровне системы, которая должна быть обеспечена в аналоговом формировании луча, может быть очень сложной. Проблема заключается в необходимости распространения основного генератора системы через элементы приемопередатчика, так чтобы излучение от массива было синхронизировано везде.

Возможно, вы думаете: «Эй, я не разрабатываю оборудование для базовых станций 5G, так зачем мне это знать?» Эти техники с формированием луча выходят за рамки 5G и используются в других важных областях применения:

• Фазированные антенные решетки
• Новые системы миллиметрового волнового диапазона, в частности в ADAS
• Ультразвуковая визуализация
• Стандарты IEEE 802.11 (в частности WiFi 5 и более поздние)
• Сонар

Дизайн фазированных антенных решеток зависит не только от антенн. Вам нужно будет понять, где размещать и прокладывать сигналы, чтобы убедиться, что фазы и амплитуды излучателей имеют заданные вами значения по всему массиву. Для приложений электромагнетизма антенны фазированных решеток могут быть легко размещены на макете печатной платы в виде полигонов, но будьте внимательны к проблемам размещения и трассировки, описанным выше.

Когда вам нужно разместить антенны, проложить линии питания и спроектировать вашу систему для гибридного формирования луча, используйте полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer®. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ позволяет легко сотрудничать и делиться вашими проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.