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TechnicalFeature 技术特写

表2 数字波束赋形 Self Normalized Gain (dB) 容纳所需硬件。相对的，毫米波频率下
–15 0 15 的阵列过于密集，二维扫描就不适用
优点 缺点 –30 30
波束和零点数目任意 高直流功率 –45 45 了。因为按列馈电架构只能进行一维扫
描，电子器件都位于阵列外部，所以可
能产生大量波束 I/Q信号通路复杂 –60 60
以应用数字波束赋形。同时，因为每个
LO信号通路复杂 –75 75 完整的接收器对应一列而非一个单元，
不改变硬件即可使波束数 硬件复杂度极高： –90 90 所消耗的直流功率显著降低。
发生动态变化 每个单元/每列均 –40 –30 –20 –10 0 数字波束赋形还有几大难点，包括
需一条全射频通路 Full Array (39.9 dB)
Sub-Array (17.0 dB) 直流功耗高（尤其是在将大带宽数字化
高频下硬件无法整 Element (6.5 dB)
全阵增益能影响到每条波 合到阵内(不支持 的情况下）；信号通路复杂，其中大量
束 I、Q数据点必须绕过阵列与数字处理器
二维扫描) 图11：混合波束赋形下的波束示例。
相连；本机振荡器（LO）信号通道需要
表3 混合波束赋形 天线罩损耗之和为1.5dB。由此，可算得 控制在阵列内。不过，令人欣慰的是，
EIRP为： 如果这些困难都能迎刃而解，那这个架
优点 缺点
EIRP=20log(256)+5+8.5-1.5=60.2dBmi 构便具有极大的发挥空间，因为无需更
波束和零点数目任意
与测量值相比误差在0.5dB之内。同 改硬件就可以形成多个波束及零点，同
能产生大量波束 样的，接收G/T值可由 时全阵列的增益能影响到每个波束。优
不改变硬件即可使波束数 缺点总结详见表2。
发生动态变化 每条波束只能受 混合波束赋形是模拟与数字波束
到子阵增益的影
在高频段，硬件仍可以置 响 赋形的结合（图10）。全阵列的一部
于阵内(仅限全硅阵列) (1) 分（子阵列）形成模拟波束，如图11所
没有复杂的信号通路 得到，其中N和Ge的定义与发射阵 示。从图上可以看到内置单元宽波、模
阵列中不含LO 列的相同，To为参考温度290°K，L是前 拟子阵形成的窄波还有两条电子波束。
端损耗的总和（1.5或1.41dB），F为接 为了简便起见，图中只标出了两条电子
利用这一点弥补发射功率低的缺点。发 收器的噪声系数。将单元数256、+5dBi 波束，实际上在模拟波束范围内能够形
射阵列变大并不一定就是“坏事”，因 内置单元增益(3.14)、1.5dB损耗和5dB 成多条。全硅和按列馈电架构都可以应
为阵列越大，每个单元的发射功率就越 NF（F=3.16）带入得 用混合波束赋形。其优势包括：
低，散热面积也越大，也更方便了热控 • 可以在毫米波频率下使用
制的设计。通过扩充阵列，天线孔径变 • 灵活度高，无需更改硬件即可动态
大，无需调整单元射频功率，EIRP亦得 (2) 形成许多波束和零点
以提高，阵列整体直流功耗下降。 • 单个单元不需要完整的射频通路，
Anokiwave公司推出的全硅阵列含 与该阵列的测量结果非常接近。 每个子阵仅需一条。
256个单元（图7），测试数据显示该架 而主要缺点则在于单个波束单元无
构性能良好。天线阵在28GHz下接收G/T 波束赋形 法从全阵列增益中受益。不过，鉴于混
为-1.1dB/K，发射EIRP为+59.7dBmi。为 电子有源天线主要应用了三种通 合波束赋形的种种优点，它无疑是目前
比较测量值与理论值，我们可通过下式 用的波束赋形架构：模拟、数字及混合 5G通信系统中最常用的方法。具体优缺
计算发射EIRP的理论值： 赋形。本节将对这三种模式作进一步探 点见表3。
EIRP=20 log(N)+Ge+功耗 单元 —损耗 讨，对比优缺点，并讨论它们对按列馈
其中，N为阵列中单元的数量， 电及全硅架构的影响。接下来的框图 小结
Ge为内置单元增益（一个大小为λ/2 （图8—图10）虽然表示接收端，但发射 用于5G和卫星通信的有源毫米波
的阵列的增益为+5dBi），功耗 单元 为 端框图与其非常类似，只是方向相反， 天线在未来几年将实现空前的量产，两
+8.5dBm，馈电损耗、单元欧姆损耗及 且采用数模转换器（DAC）而不是模数 种主要的平面结构已经问世。一种基于
转换器（ADC）。 GaAs或GaN工艺，IC位于阵列外；另一
全硅架构下的模拟波束赋形（图 种基于硅工艺，IC位于阵内。虽然前者
的EIRP非常高，但该方案的弊端亦很明
8）通过对阵列中的每个单元加上模拟波
Analog
Digital Beam Weights Mixer Power Combiner Φ LNAs 束权重来实现；按列馈电架构下则对每 显，包括高馈电损耗及自校准缺失所造
Beam
Analog
Elements
Weights
or Columns
列加权。进行了模拟波束加权后，相干
成的接收性能差。该架构仅支持一维扫
ADC ∑ Φ 功率合成波束，后接一个频率合适的下 描，需要引入偏置电路如直流定序器，
变频器及ADC构成接收天线系统。表1
同时其生产成本也很难降低。
Φ
总结了优缺点。 相比之下，全硅有源天线很好地规
Φ 数字波束赋形（图9）使用复杂的 避了这些缺陷。这种结构虽然每个单元
Digital Beam Weights Φ 数字权重而非模拟权重。为此，全硅架 的发射功率有限，但它很容易实现大规
Φ 构阵列中每个单元以及按列馈电架构阵 模生产，且制造成本极低，又充分满足
ADC ∑ 列中的每列都需要和数字权重之间构成 了有源毫米波天线的各项关键指标。■
Φ
一条完整的接收通路。平面阵列中的全
Φ 幅二维扫描只有在低频（如S频带）时
图10：接收通路的混合波束赋形。 才能实现这点，因为此时间距大，能够
64 Microwave Journal China 微波杂志 Mar/Apr 2018
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