5G关键技术之波束成形

什么是波束?

“波束”这个词看上去有些陌生,但是“光束”大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时,就成了光束,类似手电筒发出的光。反之,如果光向四面八方辐射(如电灯泡发出的光),则不能形成光束。和光束一样,当所有波的传播方向都一致时,即形成了波束。

如何实现波束成型

无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气,并在接收端由天线接收。因此,电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图(即天线发射的信号在空间不同方向的幅度)来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱(即每个方向的辐射强度都差不多,类似电灯泡),而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线(即瞄准一个方向辐射,类似手电筒)。然而,此类天线往往体积较大,很难安装到移动终端上(想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子)。另外,波束成型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向,而这在手机上显然不可能。因此,实用的波束成型方案使用的是智能天线阵列。

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在波束成型中,我们有许多个波源(即天线阵列),通过仔细控制波源发射/接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射/接收增益都集中在一个方向上(即接收机/发射机所在的位置),而在其他地方电磁波辐射/接收增益都很小(即减少了对其他接收机的干扰/减小了被其他发射机干扰的机会)。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波,波前到达天线阵列中每个天线的时间(相位)均有所不同。对于每一个天线,我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别,因此在经过该相位延迟后,我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了,从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面,当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时,每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合,因此在加和后幅度并不会变大。这样,天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理,相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现,可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。

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波束成型解决方案

SIVERS SEMICONDUCTORS建立于1951年,是一家拥有 60 多年历史的毫米波通信产品开发商和制造商。近十年来专注于毫米波通信芯片设计,在 60GHz WiGig 通信芯片和28GHz 5G 通信芯片,以及波束成形芯片领域有丰富经验,具有高度集成的16+16通道波束形成射频收发集成电路(芯片)以及可以帮助用户缩短研发周期、快速进行性能评估的开发套件。

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