毫米波波束成型天線設計考量與驗證

 

刊登日期:2022/8/5
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許銘仁 / 台灣羅德史瓦茲
 
衛星產業與5G對於毫米波頻帶的關注日漸提高,天線需針對高頻而使用尺寸較短的天線單元,並搭配許多輻射單元一起運作。這些天線陣列在次世代網路極為關鍵的波束成型作業中扮演非常重要的角色。這一份技術文章介紹有關波束成型天線的一些基本理論;而除了這些基本概念之外,還會顯示小型線性陣列的訊號輻射分布狀況之計算方法和各種模擬結果,以及實際量測結果。
 
【內文精選】
波束成型訊號與機制
2. 波束成型架構
毫米波頻帶有機會達到很高的頻寬。目前開發出幾種收發器的架構,可以透過將要接收或發射的波束聚焦在要傳送的方向上,藉此來彌補高頻訊號傳遞所受之限制。波束成型通常會使用到其中兩種不同的做法:振幅以及相位。可以透過這兩項因素的組合,來改善旁波瓣抑制或場型零點控制的情況。每一個天線單元n的相位和振幅可以組合成一個複數權重值wn,而後這個複數權重值會被套用到相對應之天線的訊號中。
(1) 類比波束成型
圖四顯示了在一個有四個天線單元的線性陣列中,波束偏斜隨著頻率的變動情況。在頻率為30 GHz時,主波瓣會被轉向到15˚ 的方向。由於所使用的頻寬較大,光束偏斜效應在較低的頻率下非常容易看到,且其中的主波瓣會位在25˚ 的方向。如果能夠額外改變入射到輻射裝置之訊號的強度,則類比架構的成效也會進一步有所改善。
 
圖四、模擬的波束偏斜情況
圖四、模擬的波束偏斜情況
 
(2) 數位波束成型
即使在使用大量的天線陣列時,類比波束成型一般也會被限制在一個射頻前端之中。如果在數位基本頻帶中進行了適當的預編碼,那麼對於發射和接收而言就具有較高的彈性空間。這額外的自由度可以用來執行像是多波束MIMO等先進技術。
 
射頻前端的數位控制功能,可以使操作在寬頻頻段時,讓相位達到最佳化的狀態,改善波束偏斜的問題。然而在行動式裝置中,數位基頻處理將導致能源消耗量。對於基地台而言,因應多資料流的傳送需求,並且同時提供服務給多個使用者,效能方面的要求高於續航力,因此使用數位波束成型是比較適當的選擇。
 
(3) 混合式波束成型
混合式波束成型一直都被認為是一個可能的解決方案,並且能夠結合類比和數位波束成型架構兩者的優點。藉由減少整個射頻前端的數目,就可以大幅降低成本費用,這樣也會讓整體的耗電量下降。雖然升降頻器的數目會少於天線的數量,沒有全數位基頻處理的自由度,但對毫米波頻段特定通道效能影響並不顯著。
 
線性陣列天線理論
2. 設計選擇
圖八左半部是一個天線單元之間保持等距間隔距離為5 mm的天線會產生的正規化陣列因子|AFarray(ψ)|,因此在28 GHz下,天線單元之間的距離會略小於0.5 λ。而右半部顯示的,是間距為16 mm(對應到大約1.5 λ)之天線的正規化陣列因子。圖的上半部是針對有4個天線單元的陣列所計算出來的結果。而在圖形下半部所顯示的,則是屬於由16個天線單元所組成之陣列的陣列因子。
 
圖八、多個組態的正規化陣列因子
圖八、多個組態的正規化陣列因子
 
從圖八中可以看出,當天線單元數量增加,會觀察到更高的指向性,旁波瓣能量降低;當天線單元間距增加,會增加紅點標示的旁波瓣,稱為光柵波瓣,是我們不預期發生的,對於頻寬的應用而言,光柵波瓣可能影響部分工作頻率。有等距之天線單元間距的線性陣列,如果天線單元之間距超過波長的一半,則會產生光柵波瓣。
 
3. 應用實例
假設的天線具有四個全向性的天線單元,且間距為16 mm。無論是發射或是接收天線都視為全向性,且發射功率被設定在0 dBm。發射和接收天線之間的距離被設定為2 m,且位於假想的遠距環境中。
 
不相等的振幅權重是一個可以用來區分兩個不同方向的重要工具。針對預期的使用者如果要在指向性增益上做一點讓步,可能會導致不預期的訊號出現被大幅抑制的情況---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》428期,更多資料請見下方附檔。

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