波束成形的类型及其在RF PCB中的用途

您可以感谢电信界在技术词典中提供MIMO和波束形成新的流行语。这两个概念不是很好理解，并且密切相关。波束成形是扩大5G和WiFi 6 / 6E覆盖范围以及通过单个天线阵列提供多用户访问的关键。

RF系统中使用了不同类型的波束成形，这些波束成形又与系统运行时控制天线的方式有关。RF PCB中的所有类型的波束成形都依赖于使用天线阵列来将波束转向所需的方向，并提供与最终用户的半双工通信。在无线链路的发送和接收端还实施了复杂的信号处理算法，以确保在通信过程中不会丢失与用户的连接。

如果要向系统添加波束成形，则需要在三个方面取得成功：DSP，天线设计和布局以及组件选择以最大程度地减小系统尺寸。我将讨论最后两个领域，因为波束成形和MIMO系统的DSP通常足够广泛，足以保证其拥有自己的教科书。

 

波束成形的类型

根据询问的对象，您会被告知有两种类型的波束成形。这些是模拟或数字形式，或者是开关和自适应波束形成。然后，根据所使用的天线阵列的类型（线性，圆形，矩形等），被归类为这些区域之一的任何事物都会再分为不同类别。这些不同类型的波束成形技术可用于扫描声纳，雷达（请参见上面的大型Duga-3相控阵），WiFi和5G中的MU-MIMO。

 

自适应与切换波束成形

穷人的波束成形方法是简单地使用RF开关在不同方向的天线之间切换发射信号。在现代系统中没有做到这一点，现代系统现在将自适应波束成形与相控阵天线一起使用。相控阵只是一组以规则间隔隔开的全向天线。通过控制到达不同天线的信号之间的相位差，可以在有限的范围内严格控制输出波束的方向。来自每个天线的辐射会干扰产生具有高方向性的波瓣。类似地，通过跟踪阵列中接收到的信号之间的相位差，控制器可以确定发射器的方向。具有MU-MIMO的系统可以使用子阵列来仔细跟踪与给定阵列进行交互的用户或用户组。

 

模拟与数字波束成形

模拟和数字波束成形之间的区别仅是指与天线阵列连接的RF前端的设计。现代系统涉及模拟和数字组件的某种融合，这被称为混合波束成形。换句话说，这实际上取决于放置ADC / DAC部分的位置。

区分数字和模拟的主要因素是将相位延迟应用于发送到每条馈线的信号的方式。对于双工MIMO系统，可以说数字波束成形是减少组件数量并更精确地控制馈线之间的相位延迟的最佳选择。模拟波束成形涉及使用一些模拟相位延迟线，而在数字波束成形中，通过简单地延迟从收发器输出的信号来施加延迟。

 

 

尽管波束成形社区喜欢尝试区分模拟方法和数字方法，但这两种类型的波束成形在RF前端都包含一个模拟部分，需要仔细设计以防止信号衰减。要考虑的主要因素是系统中模拟馈线和数字部分之间的隔离，然后与PCB叠层设计和天线放置有关。之前，我已经讨论过PCB叠层设计及其与信号完整性的关系，因此，我将重点介绍以下其他几点。

 

元素之间的隔离

相控阵中的天线馈线需要彼此隔离以抑制模拟串扰。最简单的方法是沿着表面馈线或布线在不同的层中放下保护通孔，在高GHz范围内，后者成为不好的策略。理想情况下，在同一层上路由所有内容可在不同波束之间提供最精确的相位控制，因此您需要使用表面层上的元素来隔离天线。许多设计使用电子带隙结构，共面波导布线（汽车雷达模块是一个完美的例子）或基板集成的波导布线来提供所需的隔离度（最小20 dB是理想的）。

模拟和数字部分之间的隔离也很重要。屏蔽罐对于现代移动设备而言过于庞大，尽管它们在诸如无人机之类的设备中可能还不错。除了与地面倾倒（例如在现代手机的PCB中）网格化一样，天线的放置在这里也变得至关重要。

 

天线放置

天线阵列需要远离数字部分放置，最好放置在带有收发器/基带芯片的自身板上（例如，在雷达模块中），或者在板的边缘（通常在WiFi路由器中）放置。这也将确定正确的接地策略，该策略应设计成不会干扰模拟和数字部分。如果您非常小心，则可以采用具有多个接地层的伪星形接地方法，以提供清晰的返回路径。

 

无论您要在下一个系统中使用哪种类型的波束成形，正确进行设计都需要一些专业知识，以最大限度地提高功率输出，确保隔离并最大程度地降低RF系统的功耗。当您要设计一个可以在高频下工作的高级射频系统时，与合适的设计公司合作是一个起点。