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智能波束,赋形未来

随着5G时代的到来,"波束赋形","Beamforming"这样的新名词越来越多地出现在各种媒体和场合。其实波束赋形这个概念早已有之,波束可以是声波、电磁波、光波,只要是可以在空间传输的波,都可以形成波束。在这里,我们先讨论电磁波。1864年,英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他预测了电磁波的存在,并且推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年,德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后,1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。在二次大战期间,电磁波的雷达应用得到了飞速发展。1990年代以来,现代无线通信技术飞速发展,经过30多年的蜕变,人类即将进入全时全球万物高速互联的新时代。尤其近10年来,通信和雷达系统发展迅速,各种新技术层出不穷,最直观的感受,无线电设备的天线也从传统的单天线相向多天线,天线阵列转变。

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1  几种常见天线阵列


相比指向性较弱的全向天线,阵列天线的方向性更好,阵列规模越大,天线指向性越好,能量也越集中,空间分辨率越高。波束赋形技术正是利用了这一点来实现波束形状的精准操控。

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图 2  阵列天线合成方向图示意


当每个阵元发射信号存在一定的时间差(相位差)时,信号在空间的指向(波前)就发生了方向的变化。在波束赋形中,为了获得人们需要的波束指向,通常需要在每个阵元增加移相单元(Φ)。方向的计算公式如图3所示。

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图 3  相位差引起合成波束(波前)方向的偏转(GIF by Chetvorno)


利用相位实现波束的电扫描,这是一个天才的想法,这样就可以抛弃传统的机械旋转机构(伺服),实现很多精妙的应用。

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图 4  波束360°扫描(方向图旋转)


波束赋形的原理是波的干涉,波束赋形的本质就是通过操控阵元之间的相位差,使得天线阵列在空间合成我们所需的波束。波束赋形系统的突出优势,可概括为下面四个方面:

1. 快速响应:波束电扫描,无机械惯性,指向灵活,快速指向

2. 灵活配置:可实现同时多波束,可软件定义,支持通感一体综合射频系统

3. 高空间选择性:空间分辨率高,可灵活控制副瓣、零深,抗干扰性好

4. 高系统可靠性:可容忍部分通道损失,性能轻微下降不影响系统运行

 

波束赋形系统的应用非常广泛,尤其是正在高速增长的5G毫米波、低轨道卫星通信和低空安防雷达市场。

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图 5  低空安防雷达


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图 6  通信感知一体


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图 7  低轨卫星互联网星座


一个典型的波束赋形系统构成见图8,包括数字波束成形(数字域波束成形)、信号链(数模转换,混频器)、模拟波束赋形(调幅调相)、射频前端(收发开关双工)、天线单元。一个优秀的系统,必须综合考虑成本,功耗,复杂度等约束条件。


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图 8  波束赋形系统典型构成


波束赋形系统的典型架构有三种:数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形。

数字波束赋形:A=0,D=S=R。

优点: 赋形精度高,波束灵活,响应快

缺点: 对基带软硬件和处理能力要求高


模拟波束赋形:: D=0,S=A=R。

优点: 简单易实现,对高频和大带宽支持好

缺点: 赋形精度低,同时多波束能力偏弱

 

混合波束赋形: D=S<A=R。

优点: 结合数字、模拟两大优点

缺点: 更高效的设计理论和方法仍待突破


在模拟波束赋形和混合波束赋形系统中,模拟波束赋形和射频前端的数量巨大,成本极高。


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图 9  模拟波束赋形和射频前端占系统比重


波束赋形射频前端,是将功分网络(多波束网络)、幅相控制、射频前端集成到一起成为一种高度集成的射频器件模组(芯片)。

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图 10 波束赋形射频前端框图


实现集成波束赋形射频前端的半导体材料和工艺有多种,其中硅基单片波束赋形射频前端,在低轨卫通和5G毫米波应用极具性价比。

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图 11 波束赋形射频前端工艺和材料对比


硅基单片波束赋形射频前端在应用、制造和成本方面都有巨大优势。

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图 12 硅基波束赋形射频前端优势


以ARW9644为例,ARW9644是安其威推出的一款X波段全集成四通道波束赋形射频前端,每通道发射功率27dBm,噪声系3dB,硅基单片集成电源和数字电路。ARW9644的量产,将X波段二维有源相控阵推到了前所未有的集成度和性价比。


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图 13 ARW9644关键指标和原理框图



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图 14   基于4片ARW9644的16通道有源子阵设计和实物图


安其威在雷达、低轨卫星通信和5G毫米波通信领域都有高度集成的全硅基解决方案,安其威始终相信,只有真正帮助客户降低系统总体成本,才能使性能先进的波束赋形通信和雷达系统具备大批量推广的可能性。

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图 15 安其威波束赋形产品路线图


展望未来,波束赋形技术和低成本的硅基波束赋形射频前端,必将在各个领域大放光彩。


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智能波束,赋形未来

随着5G时代的到来,"波束赋形","Beamforming"这样的新名词越来越多地出现在各种媒体和场合。其实波束赋形这个概念早已有之,波束可以是声波、电磁波、光波,只要是可以在空间传输的波,都可以形成波束。在这里,我们先讨论电磁波。1864年,英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他预测了电磁波的存在,并且推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年,德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后,1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。在二次大战期间,电磁波的雷达应用得到了飞速发展。1990年代以来,现代无线通信技术飞速发展,经过30多年的蜕变,人类即将进入全时全球万物高速互联的新时代。尤其近10年来,通信和雷达系统发展迅速,各种新技术层出不穷,最直观的感受,无线电设备的天线也从传统的单天线相向多天线,天线阵列转变。

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图 1  几种常见天线阵列


相比指向性较弱的全向天线,阵列天线的方向性更好,阵列规模越大,天线指向性越好,能量也越集中,空间分辨率越高。波束赋形技术正是利用了这一点来实现波束形状的精准操控。

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图 2  阵列天线合成方向图示意


当每个阵元发射信号存在一定的时间差(相位差)时,信号在空间的指向(波前)就发生了方向的变化。在波束赋形中,为了获得人们需要的波束指向,通常需要在每个阵元增加移相单元(Φ)。方向的计算公式如图3所示。

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图 3  相位差引起合成波束(波前)方向的偏转(GIF by Chetvorno)


利用相位实现波束的电扫描,这是一个天才的想法,这样就可以抛弃传统的机械旋转机构(伺服),实现很多精妙的应用。

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图 4  波束360°扫描(方向图旋转)


波束赋形的原理是波的干涉,波束赋形的本质就是通过操控阵元之间的相位差,使得天线阵列在空间合成我们所需的波束。波束赋形系统的突出优势,可概括为下面四个方面:

1. 快速响应:波束电扫描,无机械惯性,指向灵活,快速指向

2. 灵活配置:可实现同时多波束,可软件定义,支持通感一体综合射频系统

3. 高空间选择性:空间分辨率高,可灵活控制副瓣、零深,抗干扰性好

4. 高系统可靠性:可容忍部分通道损失,性能轻微下降不影响系统运行

 

波束赋形系统的应用非常广泛,尤其是正在高速增长的5G毫米波、低轨道卫星通信和低空安防雷达市场。

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图 5  低空安防雷达


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图 6  通信感知一体


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图 7  低轨卫星互联网星座


一个典型的波束赋形系统构成见图8,包括数字波束成形(数字域波束成形)、信号链(数模转换,混频器)、模拟波束赋形(调幅调相)、射频前端(收发开关双工)、天线单元。一个优秀的系统,必须综合考虑成本,功耗,复杂度等约束条件。


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图 8  波束赋形系统典型构成


波束赋形系统的典型架构有三种:数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形。

数字波束赋形:A=0,D=S=R。

优点: 赋形精度高,波束灵活,响应快

缺点: 对基带软硬件和处理能力要求高


模拟波束赋形:: D=0,S=A=R。

优点: 简单易实现,对高频和大带宽支持好

缺点: 赋形精度低,同时多波束能力偏弱

 

混合波束赋形: D=S<A=R。

优点: 结合数字、模拟两大优点

缺点: 更高效的设计理论和方法仍待突破


在模拟波束赋形和混合波束赋形系统中,模拟波束赋形和射频前端的数量巨大,成本极高。


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图 9  模拟波束赋形和射频前端占系统比重


波束赋形射频前端,是将功分网络(多波束网络)、幅相控制、射频前端集成到一起成为一种高度集成的射频器件模组(芯片)。

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图 10 波束赋形射频前端框图


实现集成波束赋形射频前端的半导体材料和工艺有多种,其中硅基单片波束赋形射频前端,在低轨卫通和5G毫米波应用极具性价比。

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图 11 波束赋形射频前端工艺和材料对比


硅基单片波束赋形射频前端在应用、制造和成本方面都有巨大优势。

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图 12 硅基波束赋形射频前端优势


以ARW9644为例,ARW9644是安其威推出的一款X波段全集成四通道波束赋形射频前端,每通道发射功率27dBm,噪声系3dB,硅基单片集成电源和数字电路。ARW9644的量产,将X波段二维有源相控阵推到了前所未有的集成度和性价比。


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图 13 ARW9644关键指标和原理框图



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图 14   基于4片ARW9644的16通道有源子阵设计和实物图


安其威在雷达、低轨卫星通信和5G毫米波通信领域都有高度集成的全硅基解决方案,安其威始终相信,只有真正帮助客户降低系统总体成本,才能使性能先进的波束赋形通信和雷达系统具备大批量推广的可能性。

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图 15 安其威波束赋形产品路线图


展望未来,波束赋形技术和低成本的硅基波束赋形射频前端,必将在各个领域大放光彩。



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