文摘
最近,一种新型天线系统发射机结构引入了只需要一个射频(RF)链和是建立在寄生天线阵列。MIMO传输在本例中是通过塑造直接辐射模式借助模拟可调负载连接到寄生。因为它已被证明,这种单射频MIMO系统可以支持所有相移键控调制格式与纯粹的虚构的加载值。本文扩展了它的功能,提出了一种新颖的架构寄生天线能够提供复杂的加载值,即使有负实部。肯定,这将扩展的灵活性寄生天线多路复用成功的空气更复杂的信号格式,例如,QAM信号。比特误码率评价表明,该建议的体系结构可以非常有前途的新兴设备,也说明了可能的负载扰动下的鲁棒性,可能是由于nonidealities设计。
1。介绍
不断增加的需求更高的数据速率和可靠通信已兴奋的研究兴趣调查小说那架构甚至对紧凑的移动设备。这是由相当大的硬件复杂性和传统MIMO的往往笨重维度体系结构。实际上,多个射频(RF)链的存在阻碍了广泛部署的传统MIMO技术在移动设备,主要是由于额外的硬件负担和功耗。另一个阻碍因素是紧密间隔的天线之间的相关性元素由于严格的大小的限制。不同的技巧已经处理上述问题。表明,天线选择算法(1,2)选择适当的子集天线元素连接到可用的射频链(3- - - - - -5]。尽管这些技术提供一些复杂性储蓄,他们常常导致显著的性能下降相比传统MIMO系统。另一种方法称为天线子阵列的形成主要适用于接收器的一边,是基于每个可用射频链的基本思想是用一个线性组合的反应选择天线元素的子集(6,7]。通常,所有这些方法处理的问题实现复杂算法,通过激活适当的天线元素基于他们的反应。另一种流行的方法在于天线设计和特别调查的小说多元素天线配置大小有严格的限制(8]。
另一种观点的MIMO技术,在本文,最近推出了(9- - - - - -11]。此体系结构能够提供多路复用在空气与单个射频链和被称为单射频MIMO。使用数组而不是传统的趋势与多个活跃的元素,该方案是建立在寄生天线阵列与一个活跃的,也就是说,单一的喂养,端口。这种天线由一个活跃的元素被多个寄生在近距离和被称为电子扫描寄生天线散热器(ESPARs) [12,13]。由于强大的所有元素相互之间的电磁耦合,喂养的有源元件诱发强烈的寄生电流。寄生在这种方式,所有参与辐射机制影响远场模式的形状。进一步的电流控制,或者说beam-shape控制,有可能借助低成本可调模拟电路寄生所有元素。调谐电路,从今以后称为负载,所有相邻元素之间的有效耦合的变化,这将导致相应的改变电流,因此所有的辐射模式。应该强烈强调在应用程序相当严格的大小限制,例如,移动设备,单射频MIMO经常达到更高容量的性能比传统的同行与重要的硬件复杂性(14- - - - - -16]。因此很明显,单射频MIMO成为小说和有前途的技术,能够把移动设备天线系统的好处。这种架构的一个概念验证实验中可以找到(17,18]。此外,作者在19)调查的有效方法,使多路复用16-PSK符号假设纯粹的虚构的负载。这些负载用变容二极管在ESPAR常用来实现天线的设计。这些组件是一种特殊的电子二极管的偏置电压控制他们的电容,从而提供一个可调纯虚构的负载。
然而,加载限制只有虚值绝对限制ESPAR天线的优化功能,这意味着更高的调制方案不能支持。虽然它已被证明(包括理论和实验)MIMO与单个射频链是可能的,一个具有挑战性和持久化的问题是新颖的和低成本的模拟加载电路的设计,将附着在寄生。这个很大程度上决定了能力ESPAR天线来支持更高的调制方案,因为它将改善他们的光束整形的能力。
这是本文的主要目标。特别是,本文让ESPAR天线多路高阶调制信号,除了相移键控,在空气(如QAM)。这对更复杂的电路的设计,相比在19),这将提供复杂的与正的或负的实数部分加载。这反过来寄生天线的功能进行了扩展,使他们能够产生所需的模式,根据单射频MIMO的概念。我们展示了先进的加载我们的方法使用一个简单的灵活性2-element ESPAR天线,也就是说,一个唯一活跃的元素和一个寄生负载电路连接到小说。显然表明,拟议的架构成功在空气多路复用多个符号新兴从16-QAM星座,因为它能够产生所需的辐射模式。
本文组织如下。部分2提供了一个简短的描述ESPAR天线的辐射特性beamspace域,也描述了过程确定所有必需的加载值,给定一个特定的调制格式。部分3和4提供详细的功能架构,实现所需的寄生加载值。提出了加载的性能评估体系结构和随之而来的单射频MIMO发射机的比特误码率5。最后,部分6总结了论文的主要结论。
2。Beamspace ESPAR天线的域表示
2.1。简要回顾
节中提到的1,ESPAR天线利用元素之间的强耦合和波束形成是可能通过调优寄生的加载值。通过这样做,端口电流改变以可控的方式。对于一个给定的电流向量,辐射模式 在哪里ESPAR元素和数量吗是转向向量数组的。的电流矢量与加载值 在(2)是ESPAR天线的电磁耦合矩阵,是调整辐射模式的负载对角矩阵,然后呢是唯一的输出阻抗源阻抗,而是一个选择矢量和喂养信号到活跃的港口。
据悉,与传统的多端口天线阵列,ESPAR天线不提供空间自由度(自由度)存在一个活跃的元素。因此,传统的分配方式多个传输符号不同的活跃元素不适用,乍一看那沟通是不可能的。然而,由于寄生可调的ESPAR天线波束形成的能力,传播符号的一个向量可以直接编码到一个单一的辐射模式。这个功能可以查看清楚通过ESPAR天线的beamspace表示,在[详细解释14- - - - - -16]。据表示,考虑到方位平面不失一般性传播,也就是说,,ESPAR天线的辐射方向图(1)可以写成的线性组合基础模式或空中的自由度(ADoFs) 它已经表明,所有基础模式的形状取决于元件间的距离,而系数取决于元件间的距离和电流(由于电磁耦合电流也军事)。更多细节的beamspace域表示ESPAR天线可以发现,例如,在[14)和引用。
方程(3)揭示了单射频MIMO发射机的功能:让系数是一个任意的复杂符号传输信号星座,(3)表明,符号连接,也就是说,映射到不同的基础模式。因此,符号不驱动不同发射天线元素在传统情况下,但他们调制正交辐射模式。这样,在每一个时期的形状象征传播模式的变化根据传输的符号向量。虽然这个功能看起来非常类似于波束形成,这是一个多路复用操作在beamspace域定义。ESPAR接收器反过来评估碰撞信号符号时间内通过正交模式之间的切换(14]。类似的单射频接收机提出了(11]。因此,MIMO传输到目前为止一直在效仿了beamspace域单射频收发器在链接结束。然而,本文侧重于单一的射频发射机的设计,因此部分的位错误概率5被派生假设传统MIMO接收器。也理解的基础模式(3)仍然互相正交只要有合理数量的多路不同的角度出发。否则,辐射模式不是采样充分在角域之间的相关性,这将提高一些模式的基础。
应该强烈指出,尽管(3)意味着理论上符号的数量可以多路复用等于所有元素的数量,(14,15提到影响元件间的距离有效的ADoFs数量,数量的基础模式重大贡献的总辐射功率几乎可以用于传播。在本文中,一个ESPAR天线元素将被认为是在2.4 GHz,小元件间的距离,基础模式都强和光束整形是可能的16]。
2.2。应用程序的ESPAR 2元素
对于一个ESPAR天线元素的基础模式(16] 在哪里 和系数(3)是由 在哪里,是波长的归一化元件间的距离,是零级修改第一类贝塞尔函数。已经表示,如果小元件间的间距,基础模式都是强大的,因此多路复用的空气是可能的根据(3)[16]。让系数(6)是一个任意的复杂符号传输信号星座,很明显,在每个信号周期所需的符号向量是由调优的潮流元素。这反过来可以通过适当调整加载寄生,下面将介绍。
2.3。所有可能的负载值符号向量
在文献中一个常见的假设是,通常寄生元素的可调负载用变容二极管,实现他们的偏压控制电容。尽管这是一个低成本的实现方法,通常的纯虚构的负载限制beam-shape能力ESPAR天线,因此天线产生的能力所有必要的辐射模式由(3)。这个事实变得特别明显的星座大小变得更高。
虽然作者在19任何相移键控调制符号编码]成功使用纯粹的虚构的加载到辐射模式,实施更高的星座,例如,QAM,虚构的加载可以不再产生所需的整个组可能的辐射模式。为了缓解这个问题,本节定义了复杂的加载的值对应于所有可能的传播符号向量,或等同于所有可能的辐射模式的新兴16-QAM调制。
回忆(3),当模式变成了 方程(7)描述传输ESPAR天线的触发操作。第一个符号是唯一的射频端口直接驱动,而比吗确定模式的形状。因此,单射频MIMO发射机的原理是描绘在图1包括ESPAR天线和触发单元。在每个信号符号向量是确定的。然后,调优过程地图符号率一个复杂的负载应适用于无源元件,而第一个符号美联储的活跃元素。以这种方式ESPAR配置所需的模式和实现MIMO传输部分的解释2。
以防ESPAR天线的元素,符号的转换到负载值发现通过扩大(2), 从(8),假设,我们可以得到所需的负载值通过 根据(6),可以写成上面的价值 在哪里是相互耦合的两个天线元素。根据16-QAM的星座,完全有256个可能的值的比率。然而,评估他们所有人,一个观察,只有53个不同加载值需要根据(10)。
图2显示了累积分布函数(CDF)的实部和虚部的负荷,计算(10),为所有不同16-QAM传输符号向量。它提到的相互耦合(10)是那些对应于一个真正的天线设计部分中解释5。这是观察到的实部天线负载可能是积极的还是消极的。因此,如果我们要充分利用寄生阵列功能,负载电路控制寄生天线加载应该能够提供一个复杂的加载,可以用小说来实现有源电路设计。在本文中,我们描述这样一种设计方法,这是下一节的主题。
3所示。负阻电路
3.1。系统级需求
从上述要求,很明显,一个ESPAR天线2元素可以多路两个16-QAM符号鉴于加载值允许复杂的现实,也就是说,电阻,一部分从消极到积极的价值观。显然,这可以通过替换varactor-based加载单元已经广泛应用到目前为止的小说活跃的电路设计。这部小说强调的方法,以后寄生元素将特征active-loaded寄生。
作者的最好的知识,寄生active-loaded被首次引入的概念在20.]。特别是,其中的主要思想是设计一个单位能够生成4负发现适合两个QPSK信号的多路复用。虽然在20.]随着所需的实部提出单位也不可避免地产生一个虚构的成分,人们已经发现,这并不影响性能,只要可以定义一个等价的星座。相反,随着调制格式越来越复杂的所需的载荷状态数量的增加和无法找到类似的等价的星座。因此,本文提出了一个通用(在某种意义上,相同的拓扑可以用于设计一个类似电路支持其他调制方案或任意预编码)发射机与ESPAR天线架构,由active-loaded寄生元素和一个射频链。它将表明,提出的方法是能够实现高阶调制符号格式的多路复用。
为了实现这一目标,我们提出的架构如图3。活跃在这个图负责生成电路常数负阻,对应于给定调制方案所需的最小值。补偿的虚分量有源电路和调整加载所需的复杂的价值,一个被动阻抗调节电路也是插值。通过这种方式,寄生元件是最后加载所需的复杂的加载值。在我们的设计方法最初加载的下界估计。回想一下,(10)给出了复杂加载符号率的函数和元件间的距离。评估(10)对不同元件间的距离和假设16-QAM信号获得图4。在这个图中,每个元件间的距离计算所有可能的加载值和最小绘制。观察到的最小值下面发现−150对元件间的空隙之间和。提供一种调制的影响顺序加载,人物4还包括一条曲线对应于64 - qam调制方案。显然,随着调制方案变得更加复杂,beam-shape ESPAR要求变得更加苛刻,这反映到更大范围的所需的负载。指出,在这个图的两个天线之间的互耦元素为每个元件间的距离计算使用的第8章中给出的理论公式21]。虽然这个理论治疗假设理想的偶极子在自由的空间,它仍然提供了一个代表性的例子依赖与调制的光束整形需求订单。节5,一个现实的天线设计。
最简单的方法来创建一个活跃的与可调阻抗电路是通过使用一个运算放大器(放大器),它有一个大的开环增益。然而,商业运算放大器和低噪声放大器(恢复)通常提供一个小的开环增益在高频率操作,例如,1.9 GHz或2.4 GHz。考虑也通常这样的组件是权力饥渴,他们不满足移动终端的低功率需求。满足上述约束,下一个新颖的电路描述基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。
3.2。一个活跃的用于生成可调负阻电路设计
图5显示了该有源电路的示意图。设计是基于0.18两cross-coupled晶体管对联华电子μm RF过程。PMOS晶体管M1、M2和NMOS晶体管M3, M4由电压偏置独立,分别。个人偏压不仅提供了额外的设计灵活性,但也改善了优化能力。NMOS晶体管M5作为电流源和它的目的是扩大宽度和长度减少闪烁噪声。直流偏压组件与高价值提供隔离电阻的电路设置偏置电压。电路是由V,可移植的应用程序。这是一个趋势港口之间的可调电阻测量和在图5和由以下方程给出22]: 在哪里,NMOS晶体管的跨导和PMOS晶体管分别表示为 此外,是一个过程相关系数,的比例是晶体管的通道宽度和通道长度,是电流虽然晶体管,是和门之间的电压源,晶体管的阈值电压。电流越小,我们得到的负阻越小。在亚微米过程中,通道长度的影响,因此应考虑(22] 在哪里是相关系数的影响渠道长度和是晶体管的源极和漏极之间的电压。
3.3。模拟负电阻的值
基于上述理论分析,我们组晶体管M1和M2的大小。关于晶体管M3, M4这个值设置为,而偏置电流的电流源M5运营1马。电容器C1-C4都设置为1 pF和电阻是1米。活跃的电路如图5一直以吗参数获得的先进设计系统(ADS)软件,这是一个电子设计软件射频,微波,高速数字应用程序。在此基础上设计安装,一个固定的负阻价值选择通过设置适当的偏置电压。这个值显示在图6获得的广告作为频率的函数。GHz的横轴是频率,纵轴是阻抗值。两个标记表明阻抗的实部和虚部,分别。根据仿真,下面的阻抗的实部2.5 GHz发现小于−230.6和虚部小于−117.9。指出,为选定的操作频率为2.4 GHz(见部分5),对应的阻抗最终调整到所需的负载阻抗匹配网络在下一节。相比之下,装载要求绘制在图2,的结果提出了负阻单元是绰绰有余。提到每个有源电路,这还需要一个外部电源提供必要的偏压。然而,潜在的电力消耗是微不足道的,因为它被发现在20.]micro-watts的顺序。因此,该建议的体系结构的设计和仍然能源效率。
4所示。负荷开关
4.1。调整阶段
根据提出的电路架构如图2,为了补偿与虚构的组件的有源电路和负载调整到所需的值,交换被动阻抗匹配网格应该包括。调整单元由53个离散值等于独特的加载值显示在(10),每一个包含电阻和归纳组件。如图7提出了调整单元由一个数组和两个3-to-8转换器(尽管一个数组与3可以用多余的细胞,3 - 7转换器不是市场上广泛可用的)。这个数组的细胞拥有53个离散值,而其余的是未使用的。CMOS端口1连接到港口在图描述的负阻电路5,射频端口2连接到寄生天线。在这种拓扑中,只有6个控制位被要求选择一个53岁的值。在此基础上实现的方法,每个符号向量映射到一个6-bit代码字母并在每个信号周期适当的负载的一个适用于检索正确的值矩阵。这种选择的一个例子是图所示7。
然而,应该注意解决方案假设瞬时连续加载状态之间的转换。尽管在实际设计开关速度可以在纳秒的顺序,在真实的系统传输信号必须满足特定的带宽限制。因此,平滑和控制不同加载状态之间的过渡是必要的。然而,这个问题值得进一步研究和超出了本文的范围。
4.2。性能仿真和宽容
尽管我们有一种方法来定义所需的负荷值,在高频附加nonidealities由于寄生效应也被认为是,显示在图8(23]。根据这一数字,电阻和电感的阻抗是由包括寄生效应
实际nonidealities数不仅对安装垫片的寄生效应也影响一直在模拟广告。出于完整性的考虑,由此产生的模型获得的广告图所示9。考虑到这个模型中,我们观察到的变化所需的值约为2.5。类似的变化也已经在文献中报道,例如,(23]。指出,这种偏差是代表所有加载状态。它应该值得注意,调整匹配网络图7提出了作为一个易于实现的解决方案,与固定和预定义的阻抗值。应用deembedding技术(例如,24,25]),可以很容易地补偿可能寄生效应在设计过程中考虑到他们和优化最终在电网阻抗值。因此,据悉,寄生的治疗效果,至少在某种程度上,是一种实现。节5然而,我们说明可能的负载扰动的影响,可能存在的性能方面的一些错误概率。
5。绩效评估
提出single-RF MIMO架构的性能评估与现实ESPAR天线,已设计IE3D(基于矩量法,这是一个全波电磁仿真器解决电流分布在3 d和多层结构导师提供的一般形状和图形)使用一个金属厚度0.0254毫米和FR4基板用1.6毫米的厚度和介电常数。folded-dipole活跃元素被选中,而寄生是一种传统的偶极子,而他们选择元件间的间距,,在那里是真空的波长,125毫米2.4 GHz。小扰动的存在将在加载nonidealities州可能会改变的形状所需的模式给出了(3)。表明,图10显示了一个比较理想的模式,也就是说,理论,和相应的有一个额外的偏差的实部和虚部加载代表nonidealities的效果。观察,两种模式都很相同,特别是关于振幅组件。这在所有情况下实现高精度。
图11提供了一个宝贵的比特错误概率比较传统zero-forcing接收机两个天线元素时利用和ESPAR天线发射机(图中描述1)多放映场影剧院两个16-QAM信号。观察,比较性能使用理论加载值和加载两种不同范围的偏差,也就是说,3和4欧姆(即。超过了一个发现,广告),模型中任何可能的和不可避免的nonidealities。合理、加载略有偏差变化电流的港口ESPAR元素和实际信号星座。因此,这将导致高的性能下降政权,但由于预计未来无线系统的移动设备将运行在低政权,系统依然强劲和nonidealities可以忽略。
最终,端到端性能可以进一步提高利用更健壮的接收技术,如连续下令取消(OSUC) zero-forcing,甚至更复杂的(26]。出于完整性的考虑,图123 d的例子说明了辐射模式获得IE3D软件,它们中的每一个对应于不同16-QAM符号向量进行传输。另外,图13显示了返回损失的天线为每个模式如图12,因为他们在IE3D天线设计计算软件。正如所料,回波损耗的曲线在一定模式是不同的,因为它取决于加载值。显然,在2.4 GHz的反射系数几乎为零,如预期。已经证实,这一趋势适用于所有可能的辐射模式。
6。结论
提出一种新颖的加载架构,支持一个可靠的分布式天线传输的帮助下一个射频链和密集的寄生天线阵列元素。而不是传统的趋势使用纯粹的虚构的负载,复杂的加载值产生正的或负的实数部分通过一个活跃的电路设计。随之而来的额外的灵活性发现显著提高的光束整形能力寄生天线,因为它已被证明成功的多路16-QAM信号在空气中。因此,MIMO传输是与单个射频模拟链。卓越的硬件储蓄和减少天线维度构成强有力的候选人提出的体系结构可充电和轻量级设备。虽然这个架构了16-QAM信号,显然相同的设计过程可以用来支持任意信号格式,一个任意的预编码方案,或功率控制政策。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者承认先生的宝贵贡献Eleftherios Roumpakias,谁是宽带无线传感器网络的研究工程师(B-WiSE)实验室信息技术(AIT)在雅典,希腊。这项工作是由欧洲委员会成立打扮(批准号238726年居里夫人ITN FP7项目之下。这项工作还支持在Aalborg和雅典大学信息技术之间的协作。