All-Digital Antennas for mmWave Systems

Mike Kappes，IQ-Analog公司，美国加利福利亚州圣地亚哥

为了实现高性能毫米波通信，波束赋形天线系统需要比现有技术更智能、更快、更小、更低功耗、更低成本、更低延迟并且更易于集成。与以前的电信系统非常相似，集成重要的处理和信号调节功能后，毫米波波束赋形天线将会更经济高效且体积紧凑。随着5G通信和战术通信中复杂毫米波射频和模拟硬件的发展，数字通信将不可避免地沿着数字处理最终取代模拟处理的趋势演变。最近出现了利用天线处理单元（APU）和ASIC芯片的全数字天线模式，该方法很可能会加速这一趋势，并进一步缩短备受期待的多数据通道毫米波5G和战术通信系统的上市时间。

亚6 GHz频谱的有限带宽和相当拥堵的现状，促使人们对利用20 GHz至100 GHz以上额外大片频段（即毫米波）的下一代无线通信系统进行了大量的研究。毫米波频谱从最初只是受到5G工商业界组织追捧，到现在已经扩散到例如战术通信等军事和航空航天应用中^1-3。与亚6GHz频谱相比，毫米波频段除了成倍增加的可用带宽外，还具备其它多种优势，但同时也引入了一系列设计和操作挑战。

由于毫米波频率具有较短的波长，该频段的天线和传输线尺寸也就小于亚6GHz频段的。而由于天线和传输线具有较小的尺寸，又使得硬件整机更加紧凑。除此之外毫米波天线的波束宽度要比低频天线窄得多，因此在空间上具有更好的选择性。伴随这些好处而来的缺点则是存在更高的射频路径损耗和更低的传输效率。并且毫米波频率下的大气衰减远高于亚6GHz频段。但减少的信号扩散将使得干扰、阻塞和潜在的信号被窥探大致被限制在视线范围内，这在战术通信中反而是好处。

为了克服更大的射频路径损耗和大气衰减，人们普遍认为使用波束赋形天线技术是最可行的解决方案之一^4-11。某些波束赋形设计还能实现有源天线功能，例如在干扰与抗干扰、卫星通信和航空航天通信系统中发挥重要作用的有源电子扫描阵列（AESA）就是典型。

许多研究团队、工业和军事组织正在研究和开发既能可靠工作又能以低成本方式部署的毫米波有源天线技术。成本、大小和复杂度是毫米波通信系统的重要因素，对于5G通信来说尤其如此。因为小基站提供的通信距离和覆盖范围，天生就上比上一代宏基站要小。这意味着运营商需要在更密集的空间环境中部署更多的5G小基站。相关研发涉及到模拟、混合和数字波束赋形系统的开发及其相对可行性。本文讨论了三种方法，并给出了结论：利用数字波束赋形的全数字天线是最好的架构。

波束赋形和MIMO

波束赋形是指以控制主瓣和旁瓣响应为目的对天线波瓣分布的操纵和改变。尽管本文中主要讨论的波速赋形方法是使用具有相位控制或延时的多阵元天线，但实际上可以使用多种方法来达到相同的目的。在具体选择的载波频率上设计恰当的多阵元天线，并为每个天线阵元加上计算所得的相移，就可以改变或“操纵”天线的波瓣图。采用移相方式的波束控制可以与线性天线阵列配合使用达到改变方位角上的天线波瓣分布，如果与二维天线阵列配合则可以同时在方位角和仰角上控制天线波瓣。

波束赋形技术有利于毫米波通信，因为毫米波天线系统通常具有窄波束但高衰减的特点。而且使用有源波束赋形的阵列天线时，还能够增加孔径的增益并将波束引向期望的目标，以实现最好的信号质量。凭借足够复杂的波束控制技术，主动波束控制可使毫米波通信链路具有更长的作用距离和更大的吞吐量。

一个相关的技术点是使用具有阵列天线的空间分集方法，来创建多条从阵列天线到用户的信号路径，也就是MIMO（多入多出）方法（参见图1）。发送和接收多个空间流的能力，将能允许同时进行更多的通信，比如增加SU-MIMO（单用户多入多出）或MU-MIMO（多用户多入多出）的吞吐量。采用MIMO技术也是另一种无需部署额外的基站的情况下，增强5G通信吞吐量并同时连接大量用户的方法。这些技术通常最适合密集的城市通信环境，以及需要使用多个无线电信道的情形。在毫米波的情况下，极窄的波束宽度、较高的大气衰减，以及多径与反射效应受到高衰减影响的可能性，将会限制MIMO技术的潜在收益。

图1：MIMO可以通过波束指向和零点创建，来增加城市和室内这类需求密集环境中的通信容量和覆盖范围。来源：爱立信¹²

波束赋形的分类

最初的模拟波束赋形天线系统中，使用由每个天线阵元处的移相器产生的固定延迟来创建针对单个频率的静态波束分布。后来这种方法得到发展，增加了开关来实现在若干固定不可调移相器中进行切换选择的能力，从而得到了一组预先设定好的天线波瓣分布。进一步的发展使得每个天线阵元中都具有了可调节的移相器，从而实现灵活且可主动控制的相控阵天线，即AESA。利用这些波束赋形天线时，数字信号通常使用数模转换器（DAC）在基带上产生信号，并通过频率转换变为射频信号，然后分路馈入到各个阵元（具有移相器的发射/接收T/R模块）。接收信号则在相反的路径上传输，首先经过下变频，之后射频信号通过模数转换器（ADC）进行数字化采样处理。T/R模块包含了移相器、幅度控制、功率放大器以及低噪声放大器。这种被称为模拟波束赋形的架构需要为每个天线单元中的每个移相器提供单独的控制信号，并且只能用于控制单个空间波束（见图2a）。

图2：模拟（a）、数字（b）和混合（c）波束赋形的简化框图。来源：亚诺德半导体公司⁸

更新近的方法是使用DAC和ADC直接连接到每个T/R通道。这种被称为阵元级数字波束赋形的方法，能够完全用强大的数字硬件实现波束赋形算法和数字基带处理，从而无需使用模拟波束赋形中敏感的模拟射频移相器。数字处理能够同时创建多个空间流，使得单个天线阵列可以动态地针对特定用户和负载要求，来创建实时优化的MIMO数据流和波束（参见图2b）。

数字波束赋形的最大挑战是功耗。而模拟波束赋形仅需较低的直流功率。但每个模拟波束赋形器仅支持单个波束——而数字波束赋形器则能够实现多个并发波束。因此数字波束赋形在要求低延迟和无拥塞通信的高密度环境中受到青睐。数字波束赋形对于支持移动用户的网络基础设施来说特别有吸引力。

由于阵元级数字波束赋形系统中需大量使用数据转换技术，这一点成为制约数字波束赋形解决方案被广泛应用的瓶颈。因此基于毫米波天线阵列的成本和功率考虑，采用混合波束赋形就成为了合理的过渡方案。尽管存在多种不同的具体实现方法，混合波束赋形大多将模拟波束赋形中的移相结构用到天线阵的子阵列中——例如仍然具有射频移相器、衰减器、低噪声放大器和功率放大器，依旧使用开关和环行器/隔离器——并且每个子阵列由具有某种程度数字预编码的数据转换器来驱动（见图2c）。采用这种方法后，数字子系统的处理负荷和功耗将低于阵元级数字波束赋形方案。尽管没有阵元级数字波束赋形灵活，混合波束赋形的架构仍可设计成允许多个空间流，但波束的数量最多等于混合子阵列的数量。

为了在毫米波多阵元天线上实现阵元级数字波束赋形，数字子系统必须能够实时处理Gbps级别的数据吞吐量，且需要最大限度地减少延迟。例如5G通信要求信号带宽高达400MHz。阵元级或全数字波束赋形要求调制、解调、转换、空间处理和波束赋形处理都实时进行，或者至少要快到能跟踪移动用户。因此全数字波束赋形天线需要比基带处理和模拟波束赋形更强的智能处理能力，而这些增加的数字功能是非常耗能的。如果将其以分立模块实现，则会增加物理布局的复杂性、尺寸，并很可能大幅增加成本。尤其是当系统中使用了软件定义逻辑的情形（如FPGA）。此时热管理和电源管理将成为重要的设计因素，并很可能因此需要使用高密度和高吞吐量的板对板连接以及电缆到板连接。为了实现数字波束赋形，同时又避免这种复杂性，就必须采用具有多通道宽带数据转换和高效FinFET CMOS数字处理的全集成ASIC芯片。IQ-Analog公司已经制定了一系列APU来满足这一新兴市场的需求。

虽然模拟波束赋形天线系统相对不太复杂，并且通常比相似功能的混合或数字波束赋形天线能效比更高。但是随着天线阵列规模增长到超过一定尺寸，分立式模拟组件和互连的尺寸和成本就会带来系统复杂性问题。对于大于4x4或8x8的天线阵列，混合波束赋形或数字波束赋形将具备尺寸、重量和成本上的优势。运营商通常希望设备外形和能耗效率上的改变尽可能小，以降低租赁和运营成本。虽然5G手机与4G手机的数据和能耗效率大致相同，但5G毫米波天线基础设施必须以差不多10倍于4G的密度进行部署并提供10倍的数据容量，这就需要非常高效的多波束数字天线处理器。毫米波天线阵中独特的数字天线处理需求，只能使用极高的集成度和精练的方法来加以解决。这意味着需要具备大量通道的数据转换器、数字天线处理器和高速数字I/O系统组成的独特ASIC芯片。

全数字天线

通过更大规模的组件集成，可使混合和数字拓扑结构的天线方案更为可行，从而使毫米波波束赋形和MIMO天线能够拥有更多的天线单元。采用这种改变后，可实现更强大和灵活的天线系统，并为SU-MIMO或MU-MIMO运行提供更高的增益。要把这些架构的应用前景变为现实，需要数字和数模转换器具有足够性能来满足毫米波频谱的全部容量（射频直接采样和数字波形直接综合的能力）。否则将需要增加额外的变频器件，从而增加了系统复杂性并降低了灵活性。

这些权衡折中体现为严格针对单一应用而设计的调制解调器和波束赋形技术。这对于很多商业和军事制造商来说是不可接受的，因为他们常常需要更灵活、更强大的解决方案来支持各种复杂的法律许可和不同地域的限制条件下的应用情形。射频直接采样技术可以更灵活地使用频谱，不会将毫米波天线限定在28或39GHz这种特定频段；而是可以访问射频采样硬件能力范围内的任何频谱。当与软件定义无线电（SDR）配合应用时，射频直采是理想的选择；但设计制造能达到系统性能要求的数据转换器成为了一大挑战。

由于毫米波5G通信和战术通信的标准协议规范尚未完全制定，很可能还会进行修订。因此当前供应商流行的做法是选择提供SDR解决方案而不是某个固定的调制解调器。随着毫米波标准的发展，无论是5G通信还是军事应用中的SDR，可以被重新编程以满足更新的标准。对于毫米波5G基站来说，天线阵元和波束赋形硬件的模块化可扩展性是非常有用的。这意味着可灵活地升级，而无需更换整套昂贵的硬件。这对运营商来说至关重要，因为要达到提供相似的信号覆盖，5G毫米波基站的数量大约是4G基站数量的10倍。而事实上5G毫米波基站的数量很可能会达到与5G手机相同的数量级。

为了充分利用SDR技术，需要能实现全频谱转换和数字波束赋形的APU，这种架构被称为全数字天线。全数字天线是一种数字波束赋形相控阵，支持多个宽带MIMO波束，集成了天线阵列、射频前端（RFFE）SoC和包含APU和调制解调器的多芯片模块，以及使用诸如JESD204B（见图3）的高速转换器接口¹³。APU包含带有抽取功能的数字下变频器和带有插值功能的数字上变频器。理想情况下，全数字天线波束赋形功能由ASIC实现，而不是FPGA或FPGA-ASIC混合实现。虽然这两种配置也是可行的，但要构建基于FPGA的全数字天线需要占用更大的空间和更高的功耗，且延迟更大、成本更高。因此最好的实现方式是具有最高效的数据转换器和数字处理能力的单片FinFET ASIC芯片。

图3：毫米波全数字天线。

结论

前几代无线通信（即2G、3G、4G和Wi-Fi）中向集成和一体化芯片的发展趋势和过程比较缓慢，而5G时代巨大的市场需求将大大加速通向基于ASIC的APU和更高效的全数字化5G天线发展的进程。高性能全频谱转换的APU已经用FinFET CMOS工艺制造出来了，并且该技术还能实现能够进一步发展出具有5G所需的数GHz可寻址信号带宽的多通道APU。由于这些APU被设计为具有灵活性和可编程性，从而可轻松适应各种毫米波应用，无论是5G通信、战术通信还是汽车雷达和车联网（V2X）以及低地球轨道卫星通讯（LEO SATCOM）等。

参考文献

1.      “mm-Wave for Army Tactical Communications,” SBIR Funding Topic, November 2018, www.sbir.gov/sbirsearch/detail/1531631.

2.      S. Carlson, “Raytheon Tapped by DARPA for High Frequency Digital Communications Research,” UPI, November 6, 2018, www.upi.com/Raytheon-tapped-by-DARPA-for-high-frequency-digital-communications-research/3351541528087/.

3.      “Military Communications Market: Technological Advancements & Propelling Demand for C4ISR Systems to Drive Growth in Developing Markets: Global Industry Analysis (2013-2017) and Opportunity Assessment (2018-2028),” Future Market Insights, June 2018, www.futuremarketinsights.com/reports/military-communications-market.

4.      “Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization,” Rohde & Schwarz, https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma276/1MA276_2e_Beamform_mmW_AntArr.pdf.

5.      T. S. Rappaport et al., “Overview of Millimeter Wave Communications for 5G Wireless Networks-with a focus on Propagation Models,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, November 2017.

6.      “The Military Communications Market: 2015-2030 - Opportunities, Challenges, Strategies & Forecasts,” HTF Market Inteligence, April 2015, www.htfmarketreport.com/reports/17351-the-military-communications-market.

7.      C. Scarborough et al., “Beamforming in Millimeter Wave Systems: Prototyping and Measurement Results,” 2018 IEEE 88th Vehicular Technology Conference, August 2018.

8.      T. Cameron, “Bits to Beams: RF Technology Evolution for 5G Millimeter Wave Radios,” Analog Devices, www.analog.com/media/en/technical-documentation/tech-articles/Bits-to-Beams-RF-Technology-Evolution-for-5G-mm-Wave-Radios.pdf.

9.      P. Sagazio et al., “Architecture and Circuit Choices for 5G Millimeter-Wave Beamforming Transceivers,” IEEE Communications Magazine, Vol. 56, No. 12, December 2018.

10. J. Zhang et al., “5G Millimeter-Wave Antenna Array: Design and Challenges,” IEEE Wireless Communications, Vol. 24, No. 2, April 2017.

11. A. H. Naqvi and S. Lim, “Review of Recent Phased Arrays for Millimeter-Wave Wireless Communication,” Sensors, September 21, 2018, www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6211090/.

12. P. von Butovitsch et al., “Advanced Antenna Systems for 5G Networks,” Ericsson, www.ericsson.com/en/white-papers/advanced-antenna-systems-for-5g-networks.

“ADI JESD204B Survival Guide,” Analog Devices, www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/JESD204B-Survival-Guide.pdf.