文摘

电子控制天线阵列,可重构和相控天线阵列等基本要素的高频5 g通信硬件。这些天线阵列是旨在提供指定通信场景和渠道特点的mm-wave部分5 g频谱。同时,几个挑战与这样的天线结构的发展,和这些挑战主要来自他们的大规模生产,现代制造技术,与活跃的射频集成链,尺寸紧凑,密集的电路,和局限性postmanufacturing调优。因此,5 g天线阵设计师面对矛盾的设计要求和约束。此外,这些设计师需要处理大量的天线阵列的可被识别的参数模型,可以计算昂贵,尤其是对重复性和自适应模拟所需的设计优化和调优。天线阵列合成,即找到位置的过程中,方向,和激发数组的散热器,是一个具有挑战性但天线阵列发展的关键部分。这个过程可以确保天线阵的性能需求。因此,需要可靠而快速自动化的计算机辅助设计(CAD)和合成工具,可以支持5 g天线阵的解决方案的发展,从最初的原型阶段最后的制造公差分析。介绍了天线阵列合成的最新进展概述从他们的适用性的角度电子可重构和相控天线阵列的设计无线通信和遥感。

1。介绍

相控阵列天线的发挥关键作用的发展即将到来的5 g通信系统。由于空间滤波和实时模式适应能力,天线阵列表现出优秀的无线信道特征有助于实现高数据率和可靠的服务质量,尤其是在毫米波频率范围的5 g频谱1- - - - - -5]。几十年来,相控阵已经开发出来,而笨重,昂贵的,静止的,或机载天线系统雷达、卫星和移动无线通信(6- - - - - -8]。

最近的进步电磁(EM)计算机辅助设计(CAD)软件(9- - - - - -12),天线制造技术(13- - - - - -15)、固态电子在硅基技术16- - - - - -19)、毫米波测试仪器和计算工具,如图形处理单元,使紧凑,成本效益的发展和工业化与集成电子可控beamformers有源相控天线阵列。这些产品都是适合5 g应用程序不仅与基站的网络细胞还与填充剂,中继器,访问点和移动终端1- - - - - -3]。每个应用程序需要一个定制的天线阵的性能。

因此,设计师需要可靠和通用阵列天线设计程序,可以解决具有挑战性的问题相关的合成辐射模式根据不同的面具,同时在处理多个天线性能参数,合理需求的计算资源和时间。健壮的技术应该能够执行合成阵列模型不同程度的复杂性,从各向同性非耦合散热器的分布严格的电磁模型特征的阵列孔径天线互耦效应是妥善解决(20.,21]。使用一个特定的天线阵列合成技术可以最大化通过实现一个用户友好的界面,使软件与常用的集成电磁计算机辅助设计(CAD)工具(9- - - - - -12]。

天线阵列的合成是一个自动化的过程识别或特定天线阵的优化模型,即过程确定的空间参数,(振幅或相位)激发蜡烛在阵列孔径和终端是有用的,以满足性能要求。这确保了性能需求,面具与辐射相关的模式,满足某天线操作状态。这些需求通常是必不可少的情况下如发生当指向主瓣沿着一定方向传播(Tx)模式或强制执行模式在特定角度行业null接收(Rx)模式。

天线特性被认为是在一个数组的框架包括但不限于合成过程辐射模式属性在空间方向,如主瓣半功率波束宽度(HPBW) null-to-null波束宽度,旁瓣水平(SLL),栅瓣强度、前后比率(FBR)权力相关数据峰值方向性等优点,增益,总效率、有效孔径,天线温度在数组终端与电路有关的特征,如散射参数(输入反射和耦合系数)和活动(明显)阻抗

根据所选择的合成方法或其特定的实现,一个或几个天线参数影响阵列设计目标函数。其他特征可以通过将特定的约束控制问题公式化。虽然某些天线阵特性,主要是主瓣和旁瓣水平形状,可以使用简单的分析技术,评估总效率和散射参数只能评估使用全波电磁建模。

开发、实现和应用的天线阵列合成是一个扩大研究领域,和一些新颖的研究出现在技术文献和新的专用CAD工具被引入市场。因此,提供一个最新的详细的概述这个话题可能是一个,而雄心勃勃的任务。然而,在这项研究中,我们试图分析相控天线阵列的性能在5 g应用程序通过一个工程师的角度。

2。迭代合成方法

2.1。天线阵综合迭代傅里叶变换的方法

大多数当代方法数值合成天线阵列的模式是基于辐射孔径的尺寸和评价激励的蜡烛通过合适的优化过程。表示方法是针对一个给定的目标函数的最小化编码设计规范和有针对性的辐射模式的面具。主要差异可以强调优化过程通过目标函数等各种因素,建模富达,数值最小化算法的选择和整合设计约束。基于这两个梯度和以人群为基础的(metaheuristic)优化有自己的优势和局限性。优化开发成以人群为基础的算法被广泛用于克服天线阵列合成中存在的问题。天线阵综合不同方法被称为迭代傅里叶变换(IFT)或迭代的快速傅里叶变换(传输线)方法。这种技术是根植于天线阵数量之间的基本关系。

相控阵的逆方法合成的好处首先强调了在裁判。22),我们最好的知识,减少误差算法的一个应用(23]。在裁判。22),界面张力的框图,提出了适用于天线阵列合成。此外,在裁判。22),列出详细的逆矩阵向量公式,并提出了标准算法收敛性,数值研究,证明通过功率合成模式。本研究认为eight-element线性数组与主瓣指向期望信号和有针对性的模式调零6个离散方向不同强度的干扰器。在裁判。22),的潜在好处的IFT基于二维离散傅里叶变换的合成任意形状的平面阵列孔径进行了讨论。

说明应用程序的界面张力的方法设计合成孔径雷达(SAR)天线是通过传输(Tx)和接收(Rx)模式合成受到面具有关主光束得到脉动,增益斜率,sll [24]。锥形合成短尺寸的SAR天线进行了48元素分离为0.7λ,λ表示空间波长。Tx和Rx模式随后合成具有不同自由度(阶段Tx模式、振幅和位相控制Rx模式),最后生成一个双向模式规定的特点(24]。

IFT方法之间的相似之处和用于phase-less反射器天线的合成以及交替/连续投影方法在裁判已报告。24]。IFT方法的四个基本步骤中列出裁判。24),不幸的是没有一个合适的实现细节的描述,特别是那些与模式相关的适应。界面张力的方法是进一步发展来解决综合问题的大型相控平面阵列(25]。事实上,界面张力(传输线)方法是专门开发处理典型的大小、孔形状、需求、操作模式,和潜在的电磁相互作用的大型海军及军事相控阵列。

界面张力的方法是基于数组的因素(AF)和激励通过截断锥是相互关联的一系列直接和逆傅里叶变换,分别。直接傅里叶变换(FT)同时进行房颤产生励磁锥度的所有条目。逆英尺的同时激发锥度产生房颤值上执行取样方向余弦(25]。这两个阶段执行顺序和反复使用快速傅里叶变换(fft算法)适应新计算的数据集执行需求和设计约束(AF模式面具,amplitude-only或phase-only锥度,/ off-element状态)之前被用作输入以下阶段。只有激发系数对应于网格的数组元素提供在每个迭代逆FFT。逆快速算法的框图如图1。

IFT方法概述如下。房颤的平面与一个矩形孔径天线可以被定义为一系列截断双二维离散逆英尺(25]: 在哪里=罪θ因为ϕ,=罪θ罪ϕ,年代_x和年代_y分别是x- - -y定向制服元素空间波长间距规范化λ,一个_锰是激发锥度条目,米和N元素的数量吗x- - -y分别的方向。房颤是周期函数的方向余弦 - - - - - -和 - - - - - -时间由数组元素间距−0.5 /年代_x<< 0.5 /年代_x和−0.5 /年代_y<< 0.5 /年代_y,分别。因此,对房颤相关信息可以通过采样获得的矩形方向余弦。对于元素间距小于半波,房颤延伸方向余弦的无形的空间。同时,部分( )- - -可见空间的方向所在。因此,房颤扩展到无形的空间必须被包括在计算励磁锥形条目使用直接FFT避免旁瓣特性退化过程中光束扫描和/或提高工作频率(25]。

界面张力的方法成功地应用于合成low-SLL模式。第一步是计算的房颤K²远场方向使用一个初始励磁锥形对于一个给定的阵列孔径米 N元素。任何激发锥形导致一个合理的主瓣可作为最初的一个。随后,计算房颤的模式与模式的面具。对焦模式值高于旁瓣面罩减少振幅与面具的水平。面具下面的AF值水平和那些对应于主瓣仍然没有改变。随后,房颤数据集修正以这种方式提供的输入直接FFT,收益率的励磁锥为下一次迭代更新。更新后的激励锥K²条目,虽然只有米 N实际上这些孔径填充数组。过度的条目应该被移除,迭代应该继续是否允许复值锥度。如果要实现所需的模式特征通过一个amplitude-only或phase-only合成、多余的信息(例如,计算相位值amplitude-only合成或非均匀振幅phase-only合成)是在继续之前恢复到初始值到下一个迭代。

由于主瓣轮廓,对应于第一个null,通常从迭代到迭代的减少扩大的旁瓣,可能有一个需要重新计算主瓣轮廓反复精度高,也就是说,精制的抽样( )- - -空间。二维线性调频z变换可以作为一个有效的解决方案来克服上述问题[25]。旁瓣面罩的违反和/或权力的内容激发外锥阵列孔径通常用于收敛监测和/或终止条件。

界面张力的方法也适用于三角晶格阵列在仿射变换原始网格映射到一个合适的笛卡尔(26,36]。IFT方法的有效性和鲁棒性,及其合成的能力,在非常温和的计算成本,超低旁瓣和,和不同模式组成的阵列孔径的各种形状和大量的元素已经被证明在不同的例子(25,26]。amplitude-only合成的几个例子超低旁瓣比−(71分贝)和圆和椭圆阵列孔径和差分模式与三角晶格包括5797和5509个元素,分别在裁判已报告。25]。的例子实现pseudocontour模式如图2。

这里的计算负担和质量的结果研究了阵列孔径的不同大小不同的旁瓣的需求,包括额外ring-level旁瓣面罩与amplitude-only合成蜡烛和调零行业复杂的励磁蜡烛。据报道,模式sll小于−81分贝合成在20分钟,低于61−dB模式旁瓣得到在几分钟内。合成进行电脑与一个英特尔奔腾4处理器1 MB L2高速缓存操作在2.8 GHz和配有512 MB的RAM。

界面张力的方法可以有效地缓解增益和SLL在超低旁瓣和退化和模式的差异造成的数组元素失败(30%的数组元素)。这已经证明通过数值例子的一个圆形x波段5800 -失败的元素数组元素被随机选中整个孔径(27]。值得注意的是,这样的补偿合成可以进行传统的笔记本电脑在相对较短的计算时间27]。

itf的另一个有用的应用程序方法是减少线性阵列的合成具有最小sll [28]。稀疏的合成是由设置元素的振幅强度最高的那些关于预定义的填充系数(FL)和通过设置其他元素的振幅为零在两FFT每个迭代阶段(28]。计算速度快(由于使用向前和向后FFT)启用大量的试验开始随机初始化,例如,10000 (28),找到最佳的全球sll对于一个给定的孔径大小和FL。该方法已成功应用到平面half-wavelength-spaced圆形光阑与扩展从25到100波长和主题FLs的30 - 40% (29日),如图3。甚至降低sll IFT方法显示相似,如表所示1(29日),而统计密度锥方法(37),前者技术结果几分钟和50试验为每个案件。

在最近的一项研究中,薄与振幅逐渐减少合成进行大型圆形阵列孔径(大约133波长),有能力的总和(10 dB合成振幅动态范围)和差异(15分贝动态范围合成振幅)low-sidelobe模式和没有调零的领域(30.),如图4。应该注意的是,不同模式的合成减少平面阵列孔径发表在科学文献中第一次Ref。30.]。

数组的IFT方法合成的一个重要利益问题是由于采用易于实现的计算程序和编程环境(31日]。此外,界面张力的方法是商业上可用的核心专业环境相控阵天线的设计与分析,APAS [38]。

混合界面张力和锥形密度技术(39),称为IFT密度锥(IFTDT)技术,用于稀释的方形和圆形阵列(40]。IFTDT, IFT方法用于识别活动的最佳位置(上)数组元素在每一个光圈环同时最小化sll [40]。

防止降解合成阵列模式的光束扫描的过程中不仅在合成的频率也在更高的频率,SLL要求必须执行各种有形和无形的空间。扫描的合成——和frequency-invariant线性平面阵列具有超低sll使用逆方法一直在解释Ref。32]。有用的公式基于英国《金融时报》和规模性质转变,这是适用于非周期晶格阵列,提出了在裁判。32]。这个公式定义了( )- - -地区进行频率扫描和健壮的合成: 在哪里θ_米目标最大扫描角,f_h是最高工作频率,f₀是合成频率。公式(2)扩展的区域方向余弦执行的锥形合成包括无形空间的一部分进入可见空间主声束扫描时的最大扫描角和/或频率增加到最高运行频率(32]。

量化误差的随机化是包含在逆迭代执行线性阵列amplitude-only phase-only合成。这种方法能够减轻SLL退化由于振幅和相位量化引入的离散控制组件的波束形成链(33]。

IFT法并不占天线之间的互耦效应(25- - - - - -33,38,39]。另一方面,它已经得出结论,在平面阵列和2000多个元素,相互耦合sll导致腐败和其他模式特征有限,可以接受,通常可以忽略不计的程度(34,35]。因此,界面张力时可靠应用于合成大孔径(> 2000元素)。同时,耦合的影响变得越来越明显的数组元素的数量减少。特别是,它一直在观察IFT合成结果sll低于−45分贝不能实现阵列组成的不到500个元素如果互耦效应被忽视34]。

2.2。合成阵列因子迭代矩阵求逆的方法模式

线性阵列模式的另一个迭代方法合成提出了裁判。41]。这种方法类似于IFT方法对以下因素:(i)迭代计算的自动对焦模式目前激励系数,(2)计算出AF适应所需的旁瓣面具离开远场样品的主瓣完好,和(3)计算更新后的激励锥从改编(纠正)房颤。这种方法的流程图如图5。与it技术,该方法在裁判。41对旁瓣峰值)使用信息,包括他们的角位置和交替的迹象。

旁瓣峰值的角位置确定和更新迭代,然后用于计算励磁锥通过求解一个合适的线性代数方程组。这样可以解决线性系统矩阵求逆的方法中描述的裁判。41]。这个过程被应用于合成和等距的中心对称的线性阵列的模式包括38个元素;只有几个迭代需要实现目标sll。所示的裁判。41),模式的数量最大值应该匹配数组中元素的个数。一般来说,这样的匹配需要调整间距的数值试验和/或元素的数量。同样的方法证明了同样的合成起涟漪的旁瓣模式相关的非均匀间隔扫描线性阵列;一个代表性的例子与15个元素生成七波长是在裁判。42]。

参的方法。(41,42),其中迭代过程执行通过广场的反演系统矩阵,可以作为一个有效的解决方案的合成问题,强调在裁判。43]。然而,在后者,模式合成与复值与远场远场样本和样本指定只在被视为最小平方级已经决定系统的解决方案,即:时,远场样本的数量大于数组元素的数量。数值例子的合成案件裁判。43),只有在定义的远场样本覆盖了主瓣角象限。

值得注意的是,所描述的迭代方法是基于房颤和不适合天线阵列合成与额外辐射模式相关的需求,如相关最大方向性和极化特征。此外,这些方法不占不恒等的远场array-embedded元素。

2.3。基于阵列模式合成使用梯度优化

的使用人群为基础的算法如遗传算法(气)和粒子群优化(:单)天线阵列合成通常是合理的存在多个目标函数的本地最适条件,反过来,是有关房颤)在设计空间。基于在这样的场景中,梯度算法通常被认为是用于优化附近的名义设计。同时,数值例子表明,阵列模式合成,当作为一个优化问题,制定不受益的使用人群为基础的算法在处理AF-based目标函数。与当代实践,人们已经发现,基于阵列模式合成通过梯度优化,结合智能随机搜索,提供了类似的结果相比,以人群为基础的技术,同时提供一个明确的优势从计算的角度来看(44- - - - - -46]。

基于改进的计算有效性梯度优化和避免陷入局部最小值,(我)是明智的利用分析目标函数的各阶导数,只要可以和(2)引入一个合理的解决方案过程中程度的随机性。

解析表达式可以很容易地推导出AF模式和方向性函数,利用方程(2.30)(44)线性阵列指向性。智能随机搜索(45)线性结合一个随机生成的点x_兰德与当前最好的设计x_最好的这样的搜索过程是全球最好的设计偏向于迭代数我接近最大迭代次数我_马克斯允许随机搜索阶段(44]: 在标量λ^(我)被迫衰变的迭代,例如,λ^(我)= 1−我/我_马克斯。公式(3)建立了经验。其数值数组合成效率通过下面描述的启发式方法进行验证。

数值研究了在不同end-fire线性阵列N= 10、20和40辐射元素使用相应的Hansen-Woodyard (H-W)设计作为初始解决方案代理(47]。标准的序列二次规划(SQP)算法,在MATLAB中实现fminimax常规,主要优化引擎48]。对于每一个情况下,数组合成完成后只有几百目标函数评估,而不是千迭代,这通常要求如天然气或算法:基于人群的方法。参考文献中给出的设计案例。(44,45旨在实现以下目标:SLL减少和房颤方向性最大化与统一的元件间的分离和进步相移变量SLL减少与变量特定于元素的进步阶段(即转变。,n - 1变量)SLL减少与非均匀元素间距和特定于元素的进步阶段(即转变。,2 - 2变量)SLL减少额外20 dB在第一个旁瓣抑制H-W设计部门结合约束非均匀元素分离和特定于元素的进步阶段转变

值得注意的是,随机搜索阶段是必要的情况下与20和40个元素数组中元素的分离和相位变化被用作变量。在其他情况下,直接梯度优化是充分的。

讨论的效率的方法也已经说明有两个合成孔径的线性数组的例子,一个特色和模式与额外的深调零部门,和另一个特色low-sidelobe对称sector-beam参模式。(44,46]。在这些例子中,数组模式使用相同数量的数组元素合成,相同数量的设计变量,同样的模式面具在合成例子解决在裁判。49使用田口方法。应该注意的是,对于low-sidelobe和模式的额外调零领域,基于的梯度搜索技术结合分析衍生品(44,46)取得了最终结果后只有300成本函数评估不需要诉诸于一个随机搜索。此外,基于阵列模式合成使用梯度搜索,如图6(一),显著优于模式通过田口的方法(图349])的峰值SLL (PSLL)和调零行业深度。

基于对称sector-beam模式合成的梯度搜索结合分析衍生品的成本函数产生一个最优解1500年后−28.7 dB PSLL成本函数调用,如图6 (b),而田口方法产生一个模式以−25 dB PSLL(参见图6 (494920年之后])函数调用成本。第一个1000年成本函数调用基于(1500)梯度参sector-beam模式的合成。(44,46)投资在智能随机搜索阶段。同一个sector-beam模式问题是合成使用粒子群优化(50),解决方案特点类似于使用田口方法生成解决方案的方法获得了16000年以后成本函数调用。

使用基于的梯度优化分析衍生品和智能随机搜索(在必要时),也为数组合成,包括数组散热器与不同的远场和参数特征。在这种情况下(通常当数组元素的数量小于500),全波电磁仿真工具不应只用于验证的最终结果也为设计过程的主要步骤。与此同时,基于一个梯度优化器可以有效地用于调整AF-based模式在原型阶段(44,51,52中所描绘的一样),例如,图10.17 Ref的流程图。44)或在参考图4。51]。基于此外,梯度搜索方法已经用于low-sidelobe阵列的仿真设计为以下任务(53]:找到企业饲料架构和受限功率分流比的饲料连接(见步骤2图7)优化EM-based响应面模型(光滑克里格代理)的数组连接,使用Matlabfmincon例程(48)(见第5步图7)修复SLL退化由于耦合和相互作用在提要连接到阵列孔径(见第9步图7)

值得注意的是,基于的梯度程序不仅能成功地优化平滑代理模型,如图7,而且优化原高保真模型(配置从准确模拟远场54]),例如,平面光阑描绘在图的模型8需要计算成本的上升,主要是由于收购准确的远场特性。

3所示。确定性与非周期阵列模式合成分布式天线元素

3.1。合成基于辅助数组模式(AAP)

稀疏阵列天线的设计收到巨大的关注主要是由于有意义的优势,如降低天线元素的数量,降低体重,和喂养网络的复杂性,以及一个更大的平均缓解热元件间的分离和寄生电磁耦合效应。此外,适当的合成与非周期元素数组分离产生可见的空间中没有主瓣副本,即使扫描。非周期的架构还可以减轻和问题共形天线阵列,提供令人信服的优势的波束电扫,视觉unobtrusiveness,不干扰宿主身体的空气动力特性(如飞机、卫星和地面车辆的不同类别)。共形阵列的设计,然而,带来了额外的挑战与平面拓扑。应该注意的是,采用以人群为基础的合成技术与非周期分布稀疏阵列散热器与大量的未知问题通常会导致非常大的合成。在这种背景下,确定性方法更可取。

一个方法基于辅助数组的概念模式(AAP)函数是分析确定最优元素开发密度和激励逐渐减少分布模拟给定的辐射模式(55- - - - - -57]。因此,可以方便地调整稀疏阵列满足设计要求的最小分离不同天线之间的数组元素和最大孔径的大小。这种方法不需要优化或迭代过程进行合成,从而减少设计时间。

AAP的方法阐述了进一步处理共形阵列孔径(58,59)受到不同的模式面具和结构的限制,所示类似的人物9- - - - - -12。已经证明这个过程允许复杂的综合问题,受制于特定需求与模式相关的大小和相位面具,最大光圈大小,元件间的最小间距,或最大数量的功率水平操作的波束形成网络。这些要求需要解决在简单和计算便宜的方式59]。

3.2。综合使用数组扩张技术(ADT)

数组扩张技术(ADT)是另一种确定性方法,最近提出了裁判。60]。在概念层次的描述,ADT延伸类比一个弹性带线性阵列,从而导致非周期性和稀疏线性阵列晶格。提出,ADT处理isophoric对称线性阵列,即中心对称的数组与统一的激励。因此,它不依赖于任何激励逐渐减少;相反,它修改元件间的间距均匀美联储数组中原本统一的晶格。ADT达到相对低sll最优稀疏的水平(61年)比以前公布的方法(60]。ADT noniterative方法,可用于确定非均匀阵列元素之间的分离,收益率最低的SLL特定分区和强加限制元件间的间距。ADI膨胀线性阵列晶格根据裁判。58]: 在哪里d₀是初始元素分离,N_t元素的总数在修改后的晶格,索引n运行超过一半的元素分离,α_J是膨胀参数在给定的分区,这样的元素分离d_n在那个特定的晶格不同部分d₀来α_Jd₀。在裁判。60),α_J把值从{0 1 2 3 4}。

里面的元素分离的值(一个为偶数的元素分离,两个分离为奇数)成立d₀在数值研究。数组晶格几何图形对应的不同组合扩张参数值为给定的数组枚举元素和初始(内心)分离d₀(代表原来的晶格)。每个晶格几何特点是AF指向性,HPBW, SLL, PSLL,平均SLL,旁瓣强度,平均元素分离。特别是,房颤方向性是评估使用分析表达式(62年]。几个案例研究表明,ADT isophoric线性数组可用于合成格以最小的可能的sll。确定最低的阵列几何峰值SLL枚举数组中几何图形(60]。方向余弦的范围(见方程(2),而数组枚举sll评估,不是裁判指定的。60]。

各种测试用例包括以下:Low-SLL合成与17岁,37岁,和2000个元素数组长度没有限制,从half-wavelength-spaced晶格Low-SLL合成与17岁、37和2000个元素和固定数组长度从half-wavelength-spaced晶格合成与37元素从一个栅瓣抑制wavelength-spaced晶格

比较ADT-synthesized线性阵列对PSLL和其他性能特征(可用),和使用其他方法的结果60),ADT-synthesized数组显示相似或更好的特点。选择ADT-synthesized晶格被实现和模拟阵列孔径由背腔微带贴片天线;他们的扫描性能实验也得到了证实。ADT-synthesized线性阵列的一个显著特征是,尽管他们扫描AF PSLL模式显示一个明确的退化,宽角SLL保存在主瓣较低的行业,如图13。

4所示。相控阵模式与不恒等的数组元素合成领域

它可以推断出从最近的科学出版物的发展为5 g应用相控天线阵列(63年- - - - - -76年天线阵综合,需要以下参数的选择或评价合成过程的初始化和特征:数组元素的数量,孔径大小,数组元素(单元格大小)之间的分离,阵列孔径晶格,以及个人的详细设计数组元素包括相关的层叠,极化(单一或双每个元素),沿辐射孔径和空间取向。这样的设置是针对系统级规范和解释采用(或设计)波束形成集成电路(BFIC)解决方案和宿主印刷电路板(PCB)制造技术(包括PCB设计规则定义的尺寸限制)。在天线阵综合的背景下,采用BFIC提供一定的增益范围,振幅和相位控制决议和Tx和Rx模式中的错误。威尔金森的分/合路器网络的设计通常保持的范围辐射模式合成与完全射频有源相控阵列的波束形成芯片。

在相控阵的发展过程中,模式合成作为有效手段来填补一个可靠和operation-mode-specific扫描表来满足所需的设计规范关于几个因素,如有效各向同性辐射功率(附近),极化纯度、交叉极化干扰和歧视,扫描范围,扫描损失,和活跃的反射系数。注意,在阵列孔径尺寸是固定的,激发蜡烛似乎是唯一重要的自由度合成过程。5 g基站操作时sub-cm和mm-wave频率可能会需要64 - 256(或更多)辐射元素/阵列孔径,实现所需的峰值附近水平,5 g客户前提设备(CPE)操作sub-cm和mm-wave频率将依赖于相控阵与大约8 - 32辐射元素。因此,嵌入式元素的差异而言远场特征可以显著,应该适当地占。

在这种情况下,一个可重用的准确EM模型相控阵合成,见图14和15,可以实现叠加原理的基础上,通过一个复数矢量总和所有阵列孔径的输入: 求和的指数n运行在天线元素的单偏振散热器和天线的输入端口的散热器支持双,据说正交偏振。

在(5),E代表总电场;E_n代表EM-simulated(或测量)电场由于单独励磁输入端口n在有关BFIC TX-output / RX-input销,复杂的波兴奋吗nth端口,即nth激发锥度的条目,在操作的频率 。注意,字段E_n在(4)是评估在同一坐标参考系统(默认选项的最先进的电磁仿真环境),与散热器位置相关的相位校正直接嵌入E_n。还应该指出的是,径向向量r定义,所有的E_n,从采用坐标系统的起源。

因此,总和(5)允许量化field-related特点的工作频率在任何时候r在太空中,包括近场区域。在远场区域,方便(5)以下形式: 那里的距离r被认为是一个参数。在实践中,r设置等于某个值(即,r= 1米)的后处理EM-simulated一般远场量的评估数据E_n。

此外,先进的模拟环境中也允许嵌入的远场分布计算指的是一个特定于元素(当地)坐标系统,这样与元素相关联的阶段的条件位置孔径可以评估 在波传播向量=k( ]^T包含了方向余弦,R_n表示的位置nth元素沿着阵列孔径和复杂的远场E^/_n指的是计算的位置吗n通过改变矢量参数化th元素R_n。

方程(7)可以简化为房颤的假设相同的字段E_n,通过移动领域的总和。另一方面,电磁场的精确建模的特点相控阵只能使用(5)- (7)。这样EM-based建模需要可靠的量化交叉极化干扰/歧视,特别是光阑,同时生成与正交偏振光束的特征。注意,特定于元素的振幅和相位的行为E^/_n(θ,ϕ)保存在(5)- (7充分),而一些信息丢失AF-based建模。平面阵列孔径,(7)可以写成

虽然元素远场条件E_n不知道在整个( )- - -空间,他们的分析延续到无形的空间允许使用(8)来评估总远场分布在整个空间,从而使数组的分析扫描性能。

在相控阵模式合成另一个重要方面是基于远场总表示(5)- (8)是一种精确的可重用模型定义的分析衍生品对激发锥度条目(构成可用的自由度合成问题)。与收购这样EM模型相关的成本等于产品的总数输入端口和仿真时间与孔径(数组的51,52,54]。因此,极大极小的例程增强与分析衍生品类似Ref。48),并结合智能随机搜索,非常适合相控阵合成SLL最小化,模式调零,交叉极化最小化和极化干扰最小化。合成的平面和基于这种方法进行线性光阑和参考文献中描述。(54,77年),分别。一些有选择性的结果如图16和17。surrogate-based建模是用于参考文献。(51,52,54,77年),以降低计算成本的合成过程部分收购的有关特定于元素的远场分布E_n。

的polarization-specific附近模式和高峰值,与任何复杂的锥形应用于辐射孔径,很容易用于评估和/或合成目的的EM水平通过任何形式的描述(4)- (7), 在哪里p_e,马克斯代表BFIC TX的可用功率最大输出(BFIC焊料球的图15)。下标t表示总电场表明评估复杂的锥形规范化其最大振幅,下标l和单位向量l两指一个特定的总远场的极化。

与输电线路相关联的插入损失和转换集成阵列波束形成网络中包括(9)如果港口EM-simulated模型定义在BFIC TX输出。在统一的激励的情况下,(包括大量的假设E_e=E_n所有散热器)和评估元素实现增益

Texpression (9)减少到一个著名的简单公式是必不可少的快速系统级计算(见(1)(65年)或(2)(17]或[78年])。

5。结论

基于方法的详细分析和比较,总结在表2,并通过考虑考虑方法的应用范围和功能表中列出1和3- - - - - -6,可以得出的结论是,界面张力的方法适合大型线性的发展,平面相控阵孔径,足够的AF描述。矩阵求逆方法适用于快速数组原型,因为它依赖于用户决策(或需要聪明的例程)解决综合问题,同时跟踪旁瓣峰值的位置在每个迭代。确定性方法是廉价的和通用的,他们有能力合成非周期(使用AAP和ADT方法)和保形(使用AAP方法)阵列网格。AAP方法占角元素的依赖模式;然而,它并不占不恒等的远场的数组元素。有源相控阵列发展的5 g应用EM-simulation-based描述是必要的,基于远场合成通过梯度优化结合智能可以使用随机搜索。电磁仿真的必要性是由不恒等的远场的嵌入式数组元素,不同的极化特征,或两者兼而有之(作为一个过程的一部分相关模式合成图中描述18)。此外,该方法有更高的效率比以人群为基础的优化器。此外,surrogate-based方法可以显著减少的总体成本EM-based合成矢量的收购期间5 g有源相控阵列的远场EM-based模型。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。