マイクロ波技術 - ミリ波のビーム合成

以前, 我々は共有した ミリ波通信ボード 展開シナリオと伝搬問題. 今日, 様々なビームフォーミング方法を見ます, デジタル, ハイブリッド. 私は、あなたがすべてのアナログビームフォーミングの概念に精通していると確信しています. ヒア, 我々は、デジタルベースバンドまたはIF信号にデジタル信号を変換するデータコンバータを有する, 上下変換処理を行う無線トランシーバの接続. In rf (for example, 28 GHz), つのRFパスを複数のパスに分割し、各パスの位相を制御することによってビーム合成を行い、ターゲットユーザの方向の遠距離場にビームを形成する. これにより、各データパスが単一のビームを導くことができる, 理論上, 私たちは一度に一つのユーザにサービスを提供するアーキテクチャを使うことができました.

デジタルビームフォーミング. 位相シフトは、デジタル回路において完全に実施され、次いで、トランシーバアレイを介してアンテナアレイに供給される. 簡単に言えば, 各トランシーバは、1つのアンテナ素子に接続される, 練習中, 各々のラジオは、複数のアンテナ素子を有することができる, 望ましいセクターの形によって. このデジタル手法は、最大容量と柔軟性を可能にし、マルチユーザMIMO開発計画をサポートしています ミリ波 周波数, IFシステムと同様. これは非常に複雑であり、あまりにも多くの直流電力を消費します, RFまたはデジタル回路のどちらか, 現在利用可能な技術. しかし, 将来の技術の開発, ミリ波 ラジオによるデジタルビーム合成.

最も実用的で効果的な最近のビームフォーミング方法は、単一の空間（空間再利用）で同時に複数のビームを生成するために、アナログビーム成形とデジタルプリコーディングを本質的に組み合わせるハイブリッドデジタルアナログビーム成形である。狭いビームを有する標的ユーザーに電源を向けることによって、基地局は与えられたタイムスロットのマルチプル・ユーザーを提供している間、同じスペクトルを再利用できる。文献において報告されたハイブリッドビームフォーミングに対するいくつかの異なるアプローチが存在するが、ここで示されるサブアレイアプローチは、ビーム形成のステップと繰り返しを本質的にシミュレートする最も実用的な実装である。現在、報告された系は、2〜8つのディジタルストリームをサポートして、同時に単一のユーザーを支持するために用いることができるかまたはユーザーのより少ないナンバーにMIMOの2つ以上のレイヤーを提供することができる。

アナログビームフォーミングのための技術的オプションを詳しく見てみましょう, ハイブリッドビーム成形のためのビルディングブロック. ヒア, 我々は、アナログビームフォーミングシステムを処理するために3つのモジュールに分割する, ビット ミリ波, とビームフォーミング. これは本当のシステムが分割される方法ではない, すべてを置くように ミリ波 損失を減らすために近いコンポーネント, しかし、この部門の理由はすぐに明らかになる.

各種ビーム合成法

ビームフォーミング能力はいくつかの要因によって駆動される, セグメントの形状と距離を含む, 電力レベル, 経路損失, 熱限界, etc., のセグメント ミリ波 産業が学習し成熟するにつれ柔軟性を必要とするシステム. それでも, 様々な伝送電力レベルは、異なる展開シナリオに対処するために必要とされる, 小細胞からマクロへ. ビット ミリ波 基地局用無線, 一方で, 非常に少ない柔軟性を必要とし、主に現在のリリース. 言い換えれば, デザイナーは、複数のビームフォーミング構成と組み合わせて同じラジオを再利用することができます. これは現在のセルラ無線システムとは異なりません, 小さな信号セグメントがプラットホーム間で一般的であり、各ユースケースのフロントエンドがよりカスタマイズされている場合.

デジタルからアンテナへ移動するとき、我々は信号連鎖の基礎技術の進歩をマップした。もちろん、デジタル信号と混合信号の両方は、細い線CMOSプロセスで生成される。基地局の要件に応じて、全信号チェーンをCMOSで開発することができ、またはより高い可能性があり、信号連鎖のための最適性能を提供するための技術のミックスが可能である。例えば、一般的な構成は、ミリ波変換の場合、高性能SiGe BiCMOSを有するCMOSデータコンバータを使用することである。示されるように、ビームフォーミングは、以下で説明するシステム要件に応じて様々な技術を使用して達成することができる。選択されたアンテナサイズおよび伝送電力要件に依存して、高集積シリコンアプローチまたはディスクリートPAおよびLNAを有するシリコンビーム成形の組み合わせを達成することができる。

DBM EIRPアンテナに必要な送信電力とアンテナサイズとの関係

前の仕事で, 送信電力と技術選択の関係を解析する, ここで完全には繰り返されません. しかし, この分析を要約する, 我々は、図3のチャートを含みます. 電力増幅器技術の選択は、必要な送信機電力の包括的考察に基づいている, antenna gain (number of elements), 選択された技術のRF発生容量. The required EIRP can be achieved with fewer antenna elements using either II-V technology (low integration approach) or a silicon-based high integration approach on the front end. 各アプローチには利点と欠点がある, そして、実際の実装はスケールに関してエンジニアリングトレードオフに依存します, 重量, 直流電源, コスト. 表1で得られた場合に60 dbmのeirpを生成する, 博士による分析. ADIのトマス・カメロン ミリ波 2018年の国際固体回路会議では、最適なアンテナサイズは128と256の間にあると結論した, GaAs電力増幅器を通してより低い量を達成する, RF IC技術に基づく全シリコンビーム成形を使用してより大きな量を達成することができる.

ここで別の角度から見てみましょう。60 dbm eirpはfwaに対する一般的なeirpターゲットであるが，基地局と周囲環境の予想範囲によって値を高くすることができる。展開シナリオが広く変化するので、木に並ぶ地域、通り峡谷、または広いオープンスペースにおいて、ケースバイケースベースで対処される必要があるかなりの量のパス損失があります。例えば、LOSであると仮定された密集した都市展開では、EIRPターゲットは50 dBmと低くてよい。

fccは，デバイスのカテゴリーによる仕様の定義と発行，送信電力の制限，基地局用の3 gpp用語に従った。装置の種類は電力増幅器のための技術的選択を制限する。

送信機電力に基づく各種ミリ波無線適応技術

これは正確な科学ではないが、モバイルユーザデバイス（携帯電話）は、CMOS技術に適しており、必要な送信電力は、比較的少ない数のアンテナで達成できることが分かる。このタイプのラジオは、非常に統合されていて、携帯機器のニーズを満たすために効率的に電力を必要とするでしょう。ローカル基地局（小セル）及び消費者端末装置（携帯用電源）の要求は、低端CMOS送信機電力要件からより高い端部SiGe BiCMOSへの技術の範囲を含む。ミッドレンジ基地局は、SiGe BiCMOS技術に適しており、コンパクトな全体的なサイズを達成することができます。ハイエンドでは、広域基地局では、アンテナサイズと技術コストのトレードオフに応じて様々な技術を適用することができる。SiGe BiCMOSは60 dBmのEIRP範囲に適用できるが、GaAsまたはGaNパワーアンプはより高い電力に適している。

現在の技術のスナップショットであるが、産業は大きな進歩を遂げ、技術は改善し続けており、MMW電力増幅器のDC電力効率を改善することは、設計者にとって大きな課題の一つである。

新技術とPAアーキテクチャが出現, the ミリ波通信委員会 カーブは変化して、高出力基地局のためにより総合的な構造を提供します. 最後に, Beamformingセクションを包むために上記の点を批評しましょう, そして、小さなセルからマクロまでの使用事例に対処するために様々なフロントエンドのデザインが必要かもしれません.