28GHz有源阵列天线可实现快速的5G样机开发

28 GHz Active Array Antenna Enables Rapid 5G Prototyping

Anokiwave Inc.，San Diego, Calif.

随着电信业快速迁移到新的5G标准，我们可以期待前所未有的数据速度、低延迟和高可靠性的通信。为了支持这些进步，毫米波频段正在全球范围内用于5G基站、回传、前传和客户端设备。在这些新分配的频率下可用的宽广的连续带宽可以实现高数据速率。此外，相应的短波长允许部署外形小巧的电控（有源）天线，提供空间分集、频谱重用和高天线方向性（增益），以克服在毫米波频率遇到的更高的路径损耗。

航空航天和国防工业已经制造了几十年的有源天线，因此5G解决方案所需的专业知识并不是新的。什么是新的？现在将这些类型的天线迁移到商业领域的动力何在？——是高频硅半导体技术的进步，一种IC技术，它融合了所需要的波束定向功能——矢量（振幅和相位）调制和数字接口——具有传统的发送/接收功能，全部都可在能实现平面天线制造的高度紧凑的IC中实现(高性价比组件的一个要求)。仅在这些有源天线中采用硅，就已经驱使天线的成本下降了几个数量级，使它们适用于如5G基础设施这样的高容量、大规模部署的系统。

用于5G的28GHz有源天线

10多年前Anokiwave公司已开发了用于有源天线的波束定向IC，最近公布了AWMF-0129，世界上第一款专门为5G基础设施设计的商用有源天线。与Ball Aerospace合作开发的AWMF-0129是一款64单元、单极化5G、用于快速样机开发的相控阵天线，设计为覆盖27.5 - 30 GHz频段。它是一个平面天线，可作为一个独立的组件使用，或作为一个更大阵列的部件与其它的阵列组合并同步以支持混合的波束赋形和多输入-多输出（MIMO）功能。

为了支持5G波束采集和不同的通道需求，这种快速样机开发阵列支持并提供多个波束宽度。一个宽波束可以支持信道状态信息测量、搜索模式和广播信道。多个逐渐变窄的波束可用于波束采集。最窄的波束可用于减小干扰、优化信噪比（SNR）、使等效各向同性辐射功率（EIRP）最大化以及增加辐射距离。AWMF-0129支持方位角和俯仰角均为±60°的二维扫描空间。由于这是一个时分双工（TDD）系统，阵列以半双工模式工作，使得同一个天线能够支持发送和接收，如果需要可以设置不同的发射和接收波束。

该阵列还含有预存的波束状态，一旦加载，就能快速访问一个波束采集协议——任意5G无线电物理接口的一个基本规范。可以在100ns以内访问每个波束状态，意味着整个阵列的波束位置可以在约10μs内重定向。嵌入的数字控制器接收一个期望的“查看矢量”（用方位角和俯仰角表示的波束位置坐标），计算阵列中每个单元所需的矢量调制器设置，并与硅IC通信，从而在分配的时隙内控制波束。为了实现5G无线电系统提出的低延迟，在一个亚符号间隔（Ts=13.33μs）内完成整个操作是一个关键指标。

该阵列有一个大于+50dBmi的EIRP和一个在视轴上大于-8dB/K的G/T（一种天线噪声灵敏度指标）。当绿色电子器件成为一个日益重要的因素，一个阵列的总能量效率变得愈发重要。一个有源天线的两个关键优值是：EIRP与总直流功率耗散（包括所有的放大和矢量生成、数字控制器、信号遥测和DC-DC转换）之比；G/T与有效口径之比，它是阵列噪声性能的一个度量，与有效口径尺寸有关。通过精心的架构选择并使前端损耗最小，AWMF-0129在这两个关键的比值上超越了其它的竞争方法和技术。

该阵列的其它特性包括：采用全阵列温度测绘的温度补偿增益，温度传感遥测，以及每个天线单元发射输出功率的测量结果作为遥测数据向主机系统回报。使用实时运行数据远程监测并控制每个天线，能够实现较大的灵活性。该有源阵列可以通过几种接口进行控制，允许阵列与基带调制解调器或其它天线所要求的定时和数据同步。接口选项包括以太网、USB或高速控制的低压差分信号传输技术（LVDS）。

该阵列尺寸为10.8cm×15.4cm×3.12cm，重500克。它可以用+12V或+18V供电，直流功耗小于25W (含用于波束控制和阵列控制的嵌入式控制器时)。图1显示了该阵列的后面板，图示了接口端口和阵列安装接口。

图1：AWMF-0129后面板上的控制和信号接口。

阵列的RF信号接口直接在实际空气接口的载波频率处。这提供了额外的灵活性，能够在一套常规的测试设备中和外部测试设备一起使用，进行通道表征、空中调制波形统计的评估、或与频谱发射评估的特定上、下变频模块集成。5G无线电系统开发的一些关键挑战是要理解：频率是如何规划的，信号特性将如何影响相邻通道泄漏比（ACLR）的，以及带外杂散信号的频谱掩蔽要求。在RF载波频率下的直接信号注入和接收允许用户优化并评估变频方案。

阵列的性能

图2显示了该阵列在0-60°扫描角、接收模式下的远场天线方向图。方向图表现出具有良好的旁瓣电平。在视轴和40°θ两种扫描、接收模式下，该阵列的共极化和交叉极化天线方向图示于图3中。两种扫描条件下都观察到了极好的交叉极化，极化之间测得的隔离度大于35dB。实测的AWMF-0129的发射EIRP在1dB压缩点≥50dBmi（图4）。

图2：阵列从0到60°扫描的接收方向图。

图3：视轴（a）和40°θ（b）上、接收模式下的交叉极化性能。

图4：测得的发射EIRP-输入功率曲线。1dB压缩点的EIRP≥50dBmi。

AWMF-0129是全球首款商用的电子扫描有源阵列，可用于5G应用中的快速样机开发和毫米波环境评估。基于高集成度的硅技术(包含了远程遥测的内嵌功能和整个阵列的低延迟快速波束定向)，AWMF-0129可实现实时的有源波束定向。通过提供波形激励和时序控制选项的全面灵活性，该阵列是评估和开发多种产品的一种赋能技术。 （译者：高杨）

Anokiwave Inc.

San Diego, Calif.

www.anokiwave.com