Dual Band Antenna Array for Digital Beamforming in LTE-A and 5G

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Mohammad H. Haroun

EDST, Lebanese University, Beirut, Lebanon, Iteam, Universitat Politècnica de València, València, Spain

Hussam Ayad and Jalal Jomaah

EDST, Lebanese University, Beirut, Lebanon

Marta Cabedo-Fabrés and Miguel Ferrando-Bataller

Iteam, Universitat Politècnica de València, València, Spain

波束成形是一种相控阵技术，它使得移动通信基站能将更高的功率集中在用户设备（UE）的方向上，从而提供更高的信噪比（SNR）和更高的数据速率。它还可以对来自干扰发射机的信号进行波束置零，以有效地防止信号恶化，进而使得移动端可以与其他网络共享同一频谱并提高频谱效率。本文介绍了一种为1.8GHz和2.6GHz频段设计并经过测试的八阵元线性单极子阵列。测试结果显示其波束指向能力、零点和旁瓣抑制以及多波束成形等指标都达到了设计要求。

全球对无线连接的需求正在迅速增长，到2025年底预计移动通信用户数将达到90亿，其中约26亿将是5G¹。要支持这一快速增长的市场，就需要升级运营商的基础设施。波束成形这种在军用雷达和军事通信系统中早已为人熟知的技术，正在逐步被用于商业移动通信。波束成形可以被认为是一种空间复用的方式。对天线阵列单元在相位和振幅上进行加权，从而实现按需修改辐射方向图的效果。这些调整可以是交互式的，例如在自适应阵列中的用法，也可以是基于事先定义好的波束进行切换。基站可以通过波束成形将其天线增益有的放矢地指向所需的方向，从而高效的与系统中的其他设备进行通信，而且还能同时将其自身与干扰信号隔离开。借此能力进行频谱共享也是可行的。以相同频率运行的两个通信标准将不会互相干扰，因为每个通信标准都可以在对方工作的方向上进行波束置零。

全球移动通信系统（GSM）中首次尝试了将波束成形应用于移动通信。Kuchar等人²提出并测试了配备自适应天线阵列处理器的基站，该基站允许在每个GSM帧中的上行和下行链路中进行全波束自适应调整。在LTE中则是在3GPP版本10中引入了波束成形³。该标准支持无源阵列在水平方向上进行波束成形，还支持有源阵列进行2D和3D的波束成形。在3GPP的后续版本中，波束成形变得越来越重要。版本15中定义的5G新无线电（NR）相当依赖于波束成形和波束管理⁴，而且5G NR标准规范中考虑了在上行和下行链路传输信道中利用波束成形的可能性⁵。该版本还讨论了波束成形的相关要求，例如置零抑制和指向角可调范围⁶。数字波束成形可有效评估到达角（DoA）波束成形算法的性能。

本文介绍了使用多种数字波束成形算法来测试指向能力、置零抑制和旁瓣抑制以及多波束成形的一套完整系统。该系统是基于ADI公司的商用收发机实现的⁷。

系统描述

该系统是在数字域中实现波束成形。将计算出的复数权重系数加权到接收到的基带信号上，因此这个操作需要使用完整的接收机信号链。该系统被设计为工作在1.7-1.9GHz和2.5-2.7GHz的LTE-A和5G NR频段上⁸。5G NR包括称为FR1的6GHz以下的频段和称为FR2的毫米波频段。

阵列单元的数量决定了主波束的方向性及其半功率波束宽度。随着单元数量的增加，方向性增加，同时半功率波束宽度减小¹⁰。该测试台包括一个八单元天线阵列、一个射频前端和一个现场可编程门阵列（FPGA）数字处理器（图1）。天线阵列由宽带单极子组成，它们以均匀的单元间距线性分布。UE发送的RF信号由天线阵列接收。根据UE相对于基站的位置不同，阵列中不同阵元接收到的信号具有不同的相位和幅度。对接收到的信号进行动态加权，可在辐射方向图上产生由权重确定的极值点和零值点。该系统可用于评估和测试水平波束形成算法的性能，也可测试新算法的性能。为此使用了八个完整的接收机链路，并将这些链路产生的八对I/Q信号输出进行数字化采样以便于后处理。波束成形权重的计算以及将其应用于数字基带信号的处理均在FPGA中完成。加权求和后的总信号在辐射方向图上的主波束角度处具有最佳SNR而在置零角度处具有最差SNR。

单极子天线阵列

采用CST南宫在线官方网 工作室2017版仿真软件进行了天线阵列的设计和仿真¹¹。阵列单元采用圆角半径为R_cor1的矩形单极子。单极子天线印刷在0.06英寸厚的罗杰斯RO4003C板材上，该板材相对介电常数为3.38，损耗角正切取值0.0027（图2）。通过侧边安装式SMA射频接头经过50欧微带线对其进行馈电。馈线和矩形天线单元之间的过渡是椭圆形的，且短轴长为L_gap。阵元宽度及其长度分别为W_mono和L_mono。天线背面采用宽度为W_gnd、长度为L_gnd的叶状接地平面。本设计中使用的尺寸为W_mono=57毫米、L_mono=36.5毫米、R_cor1=9毫米、L_gap=6.5毫米、W_gnd=57毫米、L_gnd=24毫米。接地面的底边采用了10个皱褶形状，以减少与同轴电缆的耦合。在距离天线衬底44毫米处安有金属反射器，用于将天线的功率指向视轴方向。图3a显示了在1.7GHz至2.7GHz范围内的仿真和测量到的阻抗匹配曲线，图3b显示了在2.6GHz下的仿真和测量的H面辐射方向图，从而验证了单极子天线的性能。

将单个单极子天线按均匀单元间距扩展为线性布置的八阵元阵列（图4）以便用于水平波束成形。由于天线是宽带的，因此阵元间距的选择极具挑战性。本设计中将阵元间隔设置为83毫米，即1.8GHz的半波长。使用Mini-Circuits公司的ZB8PD-362-S+ 8路功分器均匀的给八个阵元馈电。图5展示了在1.8和2.6GHz处给每个阵元均匀馈电时，仿真和测量的辐射方向图。

射频前端

由于波束成形是数字方式进行的，因此需要采用完整的接收机信号链。这里选择了ADI公司的AD9361宽带接收器，是因为它满足包括LTE-A在内的大多数通用通信标准。它包含两个独立的接收链，并且工作频率范围覆盖70MHz至6GHz¹²。由于该演示系统需要八个接收机通道来采集来自8个天线阵元的信号，整个接收系统使用了两个带双FMC连接器的ADI公司的FMCOMMS5收发机评估板，且该评估板与Xilinx公司的Zynq ZC702 FPGA评估板兼容（图1）。每个收发机评估板具有四路专用接收机通道，而且都接收同一个本地振荡器（LO）的驱动，因此实现八个接收通道需要使用两个收发机评估板。

为了评估上行链路的数字波束成形性能，需将权重系数加权于接收到的信号。来自天线阵元的信号通过同轴电缆进入接收机内部的低噪声放大器。放大后的信号首先由混频器下变频，然后I/Q信号对由12位、三阶、连续时间Δ-Σ调制器模数转换器（ADC）进行数字化采集。经过数字下变频并使用有限冲击响应抽取滤波器进行滤波后，信号就可以进行后处理了。

在数字波束成形中，阵元间的相对相位关系至关重要。如果八个接收机的相位不同步，则无法通过精确的后处理实现波束成形。这里存在两个挑战：其一是确保所有LO处于相同的频率；其二是确保所有LO相位同步。这里采用了具有集成VCO的ADI公司的ADF5355BCPZ锁相环（PLL）芯片来驱动每颗AD9361芯片中的两个收发机本振。并使用40MHz温度补偿晶体振荡器（TCXO）作为PLL参考时钟。

如果四个PLL由相同的参考时钟驱动并配置为相同的N分频数，则所有PLL都将以相同的频率振荡。同一块FMCOMMS5评估板上的两个收发机芯片均由相同的PLL驱动。为了使两个收发机评估板同步，将主评估板上的TCXO参考时钟由ADCLK846B扇出缓冲器芯片进行缓冲输出，并通过同轴电缆传递到另一块从属评估板的外部参考输入（图6）。这样就可让两个PLL锁定在相同的频率。尽管八个通道的设计路径几乎完全相同，但是除了主评估板和从评估板之间的路径差异之外，各个信号路径之间仍然存在一定的长度差异。

因此在处理来自天线的信号之前，必须先对所有八个单元进行相位对齐。为达到该目的，可将八个单元的接收机连接到ZB8PD-362-S+八路功分器。再将功分器的输入端连接到收发机中的一个发射通道。在相位粗同步之后，再对每个板上的接收机通道相位进行手动精细对准。可根据需要向每个通道添加固定的相移角度以使其对准。由于两个板子上LO的频率相同，可知主评估板上的四个信号以某个确定相位超前或滞后于从属评估板上的四个通道，而这个差异也采用手动评估并进行补偿。相位对齐后拆除功分器，并使用等长电缆将天线阵列连接到八个接收机。对于需要更多信道的应用，比如大规模MIMO，可以使用时钟分配网络来同步所有板子之间的频率和相位。

测试

为了测试整个系统并验证结果，首先记录了各种角度的真实信号，并动态计算波束成形权重，然后得到后处理后的辐射方向图。在南宫在线官方网 暗室的受控环境中进行测量（图7），使用从FMCOMMS5主评估板中的发射机通道输出信号到Vivaldi发射天线。发射机需要九秒钟来发射一个完整的突发数据。因此驱动Vivaldi天线旋转的电机在从-90度旋转到+90度的过程中，被设定为以每秒1/9度的角速度转动。处理系统在每个步骤中同时捕获来自八个阵元的数据，并累积八路信号各181个角度的数据。如图7所示，FMCOMMS5主评估板和从属评估板安装在接收天线阵列的另一侧。在开始测量之前，按照前文说明进行相位校准。

该测试中模拟了向基站天线阵列发送UE信号。LTE-A和5G NR中的基带数据为正交幅度调制（QAM）^13、14，因此测试信号采用了长度约为2400个样本的正交相移键控（QPSK）调制信号。在每个停止角处都使用QPSK调制的数据以突发模式通过Vivaldi天线发送，并通过八单元阵列接收。接收机的ADC采样率设置为30MSPS，通道带宽设为5MHz。采集记录数据后，将波束成形权重加权到存储的信号上。在本测试中采用基于线性约束最小方差（LCMV）波束成形方法来计算权重。LCMV波束成形器可让来自所需方向的信号以最大增益通过，同时还能阻止来自其他方向的干扰。在指定源信号和干扰信号方向的约束条件下，将施加LCMV权重后的总输出功率进行最小化调整¹⁵。阵列的波束指向能力限定在-60至+60度之间，实现总共120度的方位可视角。

这里展示了几种测试情形中的两种：1）信号源为35度，干扰为10度和65度，工作于1.8GHz的载波频率时的归一化辐射方向图（图8a）；2）两个信号源分别在60和35度，而干扰源在0度，工作在2.6GHz时的归一化方向图（图8b）。

结论

本文展示了用于LTE-A和5G的数字波束成形的八单元天线阵列测试台的开发和评估。该系统采用覆盖LTE-A和5G NR FR1频段的商用宽带收发机，并在南宫在线官方网 暗室中使用LCMV波束成形器在1.8GHz和2.6GHz频率下进行了测试。测量结果与预期性能一致。该项目相关工作还在继续拓展，下一步将使用该系统评估非受控环境中LTE-A和5G基站的DoA（到达角）估计算法。

致谢

本文工作是由黎巴嫩大学与瓦伦西亚政治大学合作开展，并得到黎巴嫩大学的部分支持。它得到了Erasmus Mundus Welcome Program以及西班牙经济与竞争力部的资助，项目号为TEC2016-78028C3-3-P。

参考文献

图1：波束成形测试台

图2：天线阵元的顶部（a）和底部（b）。

图3：天线阵元的仿真与测量性能：|S₁₁|的频率响应（a）和2.6GHz E面方向图（b）。

图4：八阵元单极子阵列。

图5：在1.8（a）和2.6（b）GHz频率处的单极子阵列H面仿真与实测方向图

图6：设置主评估板/从属评估板（a），用于两个FMCOMMS5评估板之间的相位同步（b）。

图7：南宫在线官方网 暗室中的单极子阵列和收发机载板。

图8：在应用LCMV波束成形权重后，从基带信号中得出的1.8GHz（a）和2.6GHz的（b）归一化辐射方向图。