毫米波微带天线阵的设计和自适应算法对未来5 g无线通信系统

文摘

本文提出一种高增益毫米波(毫米波)低温微量陶瓷高瓦斯)微带天线阵紧凑、简单,低调的结构。结合最小均方误差(MMSE)自适应算法的提出64元微带天线阵,数值调查揭示了大幅改进减少干扰。一个原型是大规模生产了一个简单的设计。作为一个实验,基于是用来模拟天线的宽1毫米和1.23毫米的长度,在38个GHz产生共鸣。建造了两个相同的毫米波确立了微带天线阵列测量,和中心元素很兴奋。结果表明回波损耗比15分贝和峰值增益高于6.5 dBi在感兴趣的频率,验证了可行性的设计理念。

1。介绍

数据流量的不断增长的需求推动无线标准的演变。不久之后第一个forzon发布于2008年12月,商业开发的第三代合作伙伴计划(3 gpp)长期演进(LTE)系统开始。增加产能,LTE-Advanced成立2011年3月,呈现LTE正式符合国际电信联盟的第四代无线技术的定义,称为IMT-Advanced [1,2]。然而,新的交通类型和数据服务是新兴的,特别是机器对机器通信来支持应用,如智能电网、智能家居和城市,e-health。随着新的应用程序的发展,设备可以连接多达500亿到2020年,据估计(3]。日益增长的年度流量的要求(保守估计范围从40%到70% (4- - - - - -6])暗示蜂窝网络可能需要交付1000倍他们当前的能力在未来十年。满足这种需求的具有挑战性的任务推动未来无线网络的发展,被称为第四代(4 g)和第五代(5克)蜂窝系统,提供峰值吞吐量为每秒装满(Gb / s)和细胞边缘率数万每秒(Mb / s) [7]。

除了提供性能比LTE-Advanced,未来网络必须比当前更节能网络5 g技术长期可持续发展。毫米波(毫米波)波束形成技术是一个关键因素是至关重要的数据容量改善5 g网络商业成功。这种技术采用大规模多输入multioutput (MIMO)系统操作30至300 GHz,可用的带宽要宽得多比目前的蜂窝网络(8- - - - - -11]。新的联邦通信委员会发布的频谱特性带宽11 GHz,包括许可范围从27.5到3.8 GHz 28.35 GHz和37 - 40 GHz和7 GHz的未经授权的频谱从64年到71年GHz。毫米波波段的可用频谱可达到200倍数据速率比意识到3 GHz[下当前的蜂窝系统8,10]。此外,相对较短的波长的毫米波信号,包含主要射频集成电路技术,使天线的实现与众多小维度可能(≥32)元素。因此,未来无线网络可以配备大量的MIMO系统提供了一个非常高的增益,电操纵数组,数组和自适应波束形成。此外,这些系统可以在基站,在终端设备上,或在一个芯片8,12]。

尽管使用毫米波波段的好处,许多巨大的挑战之前,必须解决在这些乐队可以实现无线系统,特别是对于阵列天线的设计。(1)在毫米波地区,设计电磁电路灵敏度的元素是困难的,因为制造需求和波传播的高插入损耗。轻微失调参数在0.1毫米的顺序可以变化的电路元件的特点,导致意想不到的后果。(2)更大的天线增益天线相同的物理大小达到因为较小的毫米波信号的波长。然而,依赖高度定向传输需要设计变更当前的蜂窝系统(13]。(3)制造结构和固定连接器当过渡到另一个输电线路需要护理。面板上的边缘领域在过渡区发射传输换行电容或者电感输入阻抗导致失真和可怜的匹配性能。

本文报告最新进展在设计原型毫米波天线阵了大规模应用程序;数组包含64 -元素操作38 GHz微带天线阵。节2.1的系统配置提出详细讨论了毫米波微带天线阵。这一节还概述了最小均方误差(14,15)和至少意味着广场(LMS) (14)自适应算法,显示伟大的改善信噪比(信噪比)通过将null干扰的方向。部分2.2介绍了原型毫米波天线阵的设计使用微带贴片天线印在低温微量陶瓷衬底高瓦斯)。部分3描述了实验研究的毫米波微带天线阵列,即64 -元素微带贴片天线和一个参考天线自检校(16]。结论提供了部分4。

2。分析和设计

2.1。系统配置

的原理框图元大规模分布式天线系统对未来网络如图1。在传输过程中,最优权重向量计算产生高增益辐射领域的信号方向和其他合成null在单用户设备(UE)的方向;这减少信道干扰。因此,当信噪比的增加,一个高质量的信号是实现收音机BS和高吞吐量的性能问题。类似地,输入信号和干扰方向阵列接收到的放大,降频转换器,转换为基带信号从模拟到数字格式。而辐射模式是合成的高增益信号在干扰方向,方向和null闭环自适应处理器修改接收到的信号衰落环境中通过计算最优权重向量。一个等距的讨论元天线阵列进行这个过程。

图2说明了设计概念提出了毫米波有源天线阵列的大规模的MIMO系统,表明它包含以下组件:64 -元素微带贴片天线;16个前端模块;八个收发两用机(收发)模块;配电网络;和参考天线与收发模块集成,应用于系统自校准使用相位匹配方法(16]。

极化的天线阵列包含一组位置向量中的元素,在那里表示的位置天线元素。面波的局部均匀介质中传播,波被定义为 在哪里表示频率的波长;和的方位角和仰角远场源,分别;和表示矩阵的转置。

当时间阶段因素省略,同时兴奋的自适应天线阵列的远场模式变成了 在哪里

极化元素模式函数为一个单独的元素用,代表了复杂的加权系数的振幅和相位的在权向量的元素,生成的自适应算法。厄密共轭转置,它结合了换位和接合,是用的辐射模式,用数组。对于一个给定的径向向量(由角度定义的和),收益率的大小数组的反应和的方向。

大规模分布式天线系统的系统性能增强评估在一个嘈杂的环境中使用自适应算法。单个天线接收信号的加性高斯白噪声信道是由,在那里表示接收到的信号的方向和表示噪音。然后选择算法的自适应beamformer派生使用传统的相控阵方法在射频(RF)或中频(如果)14,15]。从每个天线元素信号采集处理和总结模拟设备和基带降频转换器。射频的加权过程如果模拟域相对灵活,可以成为复杂的空分多址信道数量的增加。数字领域,或数字波束形成(DBF),方法有许多优点[17,18由其不可用),但也是弱势群体,高成本,增加信号带宽,和特征的动态范围的模数和数模转换器。

摘要均方误差(MSE)最小化使用LMS算法(14,19,20.)为例,选择适应的DBF。在离散时间时间指数和时间,等距的,输入信号向量元阵列(图1)是 在哪里窄带传输信号是一个复杂的信封和是天线元素的数量吗。此外,权向量在吗,可以应用于模拟部分接收机使用相移和衰减器,或在数字域信号数字化后,过滤。窄带阵列的输出采样输入的线性组合与复杂的增加重量:

最优解,最小化均方误差导致维纳霍普夫解决方案(14),是由 在哪里表示输入相关或协方差矩阵收到之间的互关联向量和训练(或想要)的信号。

静止的输入数据的过程只需要时间来产生足够的估计和。然后计算和确定最优权向量。然而,由于矩阵求逆是重要的,特别是当使用数字信号处理器,进行迭代技术容易产生最优解在一个有限的时间。这些迭代方法的更新方程通常是表达的LMS算法(18]给出的 在哪里代表了步长值和允许在每个迭代和改变表示梯度或衍生品的MSE的权向量: 随机梯度算法试图确定最优的解决方案,不断介入负方向的梯度。因此,向最低最优权向量调整MSE表面。因此,自适应权重向量计算的DBF单元(图1)通过使用(7);自适应加权向量进入收发器的振幅和相位调整每个补丁天线通过自动增益控制器和移相器。因此,同时兴奋的自适应天线阵列的远场模式可以和信噪比可以实现最大化优化衰落环境下的系统性能。

图3(一个)表明一个贴片天线的增益计算元素6.86 dBi,这是通过使用基于理论方向性得到改进的大规模分布式天线系统64元素的阵列天线间距和元素毫米,毫米,根据(18分贝2)。阵列的波束宽度模式是约5°和6°Az, El-planes (- - - - - -和- - - - - -飞机),分别和25°±光束能够覆盖地区的电子转向。此外,在均方误差自适应算法(5)和(6)应用,大规模分布式天线可以合成干扰方向的辐射模式与null(例如,=(13°,0°),(30°,0°),(50°,0°))来提高系统信噪比(图3 (b))。数据3 (c)和3 (d)说明情节的3 d和2 d轮廓阵列的辐射模式,分别。

2.2。微带天线阵的设计

考虑到工作的缺点Ka波段频率部分中讨论1,我们使用这个原型的微带天线研究因为微带天线类型的制造过程,借助modem-printed电路技术适应测试和构建的目的,更简单,更便宜,速度比其他类型的天线。此外,如果精心制造,产品几乎相同,这意味着验证设计的微带天线样机也将满意的天线的其他副本。然而,微带天线有明显的缺点,如低功率处理和狭窄的频率带宽。

许多喂养设计方法可以应用于激发微带贴片天线,但垂直同轴转换是最适合毫米波应用程序,因为该方法的测量结果显示回波损耗比14 dB和插入损耗比从直流到40 GHz 0.4 dB (21,22]。因此,我们提出了毫米波天线阵组成64 -元素垂直coax-fed微带贴片天线在38个GHz(图产生共鸣4)。毫米波微带贴片阵列结合八子数组每个组成8个微带贴片印在RF衬底的厚度15毫升。数组的元素间距排成三角晶格(mm;毫米)获得波束扫描的方位角25°±k-connector当保持最大房间分配修改。

垂直过渡的一个重要寄生虫引发的电感地面电流必须绕流的周长哄微带的外导体达到底部部分。因此,在每个子数组,基质与印刷微带贴片焊接与四个修改k-connector地面针连接器的四个角落基地安全的天线(图5(一个))。所有的子阵集成后,9个螺丝是用来固定每个子数组的射频基板到数组的后平面(图5 (b))。随后,该数组被放置在一个锡炉波峰焊接回流。毕竟子阵被焊接在底板的数组,所有的螺丝被移除。

3所示。数值和实验研究

微带贴片的设计方法印在确立衬底介电常数为5.9,厚度15毫升验证了使用基于(图6)。美联储采用激光发射器的过渡效果被认为是在模拟。

仿真结果(图6)显示返回的损失小于10 dB在感兴趣的频率范围从37.34到38.89 GHz。实验验证该设计方法,建造了两个相同的毫米波微带贴片天线阵列测试(图7)。建立了测量设置通过连接一个补丁与两个毫米波微带贴片阵列,放置面对面相隔19.5厘米(图8)。

两口参数测量使用罗德与施瓦茨ZVA40矢量网络分析仪(图9)。模拟(实线在图9)是使用一个计算微带贴片,以减少计算时间,但测量与钻石形状(实线)和(实线矩形形状)与两个微带天线阵列(图的中心元素8)。因此,测量和模拟数据(图之间的差异9)可以归因于相互耦合造成的无功负载效应。

接下来,Friis电力传输公式(23)是用来计算的最大天线功率增益(中央前进方向的天线): 在哪里和的力量是接收和发射天线,分别和和分别发送和接收大国。因为这两个天线是相同的,和功率比测量直接透射系数获得的,这是使用矢量网络分析仪。用测量到(9),最大测量天线功率增益策划反对从36.0到40 GHz频率与仿真数据(图10);他们表示可以接受的协议。一个微带贴片的测量获得大约6.8 dBi 38个GHz。

最后,辐射模式的中心元素的原型毫米波阵列(图7)以OIT附近,远场测试范围。孔径场的振幅和相位测量数据绘制(11日)和11 (b),分别。与此同时,数据12(一个)和12 (b)显示测试设置的照片,和图12 (c)说明了测量Co-Pol块和2 d Cross-Pol辐射模式削减- - - - - -和- - - - - -飞机在37.75 GHz。

4所示。结论

我们的设计原型的毫米波微带天线阵在Ka波段操作频率范围为5 g通信系统应用程序使用64 -元素给出了微带贴片印在一个确立衬底厚度15毫升,介电常数为5.9。我们的数值和实验研究显示测量和模拟之间的可接受的协议返回损失和天线功率增益性能。这证实了一个微带贴片天线阵辐射高的增益性能在毫米波范围为未来的5 g的应用是可行的。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢力科技(台湾)研究所的财务支持这项研究(CSIST-A7I-V1XX)和感谢凯文·彭协助制造和集成的数组。

引用

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