5G 新無線電 （5GNR） 將嚴重依賴波束控制來最大化數據吞吐量，尤其是在用于發送和接收毫米波 （mmWave） 頻率時。從大約 24 GHz 開始，與微波信號相比，毫米波信號提供了巨大的帶寬。但這是有代價的：信號損失。波束控制，也稱為波束成形，通過將信號集中在目標上而不是向各個方向傳輸信號來最大限度地減少損失。該技術使用可以通過軟件模擬的多個天線。

圖 1所示的陣列天線 由 256 個天線組成，排列在 16 × 16 的網格中，以 28 GHz 傳輸 64-QAM 數據信號。是德科技與 Anokiwave 和 Ball Aerospace 合作，在 2018 年國際微波研討會上展示了波束控制。

圖 1：由 256 個天線組成的陣列使用 16 × 16 的網格來引導波束朝向目標。圖片：馬丁·羅。

該陣列由 64 個 Anokiwave 四核 IC 驅動，其中每個 IC 驅動四個天線元件。該天線可以使用所有 256 個元件形成單個可操縱波束，或每個使用 64 個元件形成四個獨立可控波束。

波束控制可以使用模擬 （RF）、數字或混合方法。在模擬波束控制（圖 2）中，單個模數轉換器 （ADC） 為八個天線提供信號。

圖 2：模擬天線系統對所有天線使用單個 ADC。圖片：Anokiwave。

雖然模擬波束控制最大限度地減少了 ADC 的數量，但它存在諸如相移、RMS 相位誤差和 RMS 幅度誤差作為頻率函數的問題。此外，所有信號處理——移相和信號衰減/放大——都必須在天線上進行。因此，它僅適用于高度集成的 IC。您也失去了可以形成的光束數量的靈活性。

完整的數字信號鏈在每個天線上使用專用的 ADC/DAC 對進行發送/接收。這樣的架構提供了最大的波束成形靈活性，但它是不切實際的。ADC 的高成本和它們產生的過多熱量使數字光束轉向沒有吸引力。因此，一種混合方法正在占據一席之地。 圖 3 顯示了圖 2中相同的八個天線， 由兩個 ADC 驅動，每個 ADC 處理四個天線。這種方法提供了良好的波束成形靈活性，同時消除了數字波束控制的挑戰。

圖 3：在混合系統中，每個 ADC 為多個天線生成信號。圖片：Anokiwave。

Anokiwave 的客戶工程師 Logan Minard 解釋了公司 IC 中使用的信號鏈（圖 4）：“Common”不是指共同的信號返回，而是指分別包含在發送和接收信號鏈中的 ADC 和 DAC 電路。 來自 ADC 的模擬信號進入 Wilkinson 功率分配器，然后是幅度和相位控制以及功率放大器 （PA）。另一個開關將信號連接到天線。

在接收端，接收到的信號首先通過低噪聲放大器 （LNA），然后通過 Wilkinson 組合器和溫度補償器，后者根據溫度調整信號增益，他繼續說道。

圖 4：Anokiwave AWMF-0108 的框圖顯示了發送和接收信號鏈。圖片：Anokiwave。

在微波研討會演示中，光束從視軸轉向 ±30°，盡管陣列能夠從視軸轉向高達 ±60°。“一旦從視軸角度超過 60°，就會發生過度的掃描損耗，從而使天線增益下降到可接受的水平以下，”Minard 說。設計波束控制系統需要對天線陣列、無線電組件（放大器、濾波器、混頻器、移相器等）和傳輸通道進行仿真。你是如何開始的？

對相控陣天線和其他 5GNR 組件進行建模并不意味著您必須開發自己的模型。多家公司的建模和仿真軟件可以為您處理這些數字。只需向他們提供您的設計參數，包括：

頻率

天線增益

旁瓣電平

介電常數等材料特性

陣列幾何

陣列中每個天線的加權

相移均衡電平

要設計一個陣列，首先要對單個天線元件進行建模，然后將這些特性放大以形成一個陣列。圖 5 顯示了元件模型、8 × 8 陣列和陣列的旁瓣電平。

圖 5：使用 COMSOL Multiphysics 軟件，您可以對槽耦合微帶貼片天線陣列進行建模。圖片：COMSOL Multiphysics。

仿真軟件可讓您輸入一系列參數并在查看信號模式的同時逐步執行這些參數。在 MATLAB 的 Antenna Toolbox 中，您可以在仿真 App 中輸入一系列值，也可以編寫腳本來自動執行該過程并在參數更改時查看結果。

軟件使用顏色和與天線的距離來表示模擬的天線方向圖。圖 6中的顏色 突出了單個元件相對于各向同性天線 （dBi） 的方向性，以分貝為單位。

圖 6：MATLAB 等軟件模擬單個天線的輻射方向圖，單位為 dBi。紅色表示信號相對于各向同性天線的最強差異。圖片：MathWorks。

雖然了解相控陣天線的預期響應很重要，但如果一個單元發生故障會發生什么？COMSOL 射頻模塊技術產品經理 Jiyoun Munn 表示：“仿真軟件可以生成電場每個維度分量的體積圖和曲面圖，這有助于診斷網絡和單個陣列元素的異常行為。”

相控陣可以由子陣列組成，如在混合系統的情況下。“也可以模擬故障子陣列，”MathWorks 相控陣系統工具箱和信號處理工具箱產品經理 Rick Gentile 補充道。“如果子陣列出現故障，許多元素可能會丟失，因為傳輸/接收模塊是共享的。”

隨著 5G 的推出，相控陣可能會變得司空見慣。更大的陣列，例如 64 × 64 和更大的陣列，將用于基站和小型蜂窩中的毫米波頻率。較小的陣列，如 2 × 2 或 4 × 4 可能會集成到手機中。