适合于大规模MIMO应用的高分辨率幅相控制矩阵

High Resolution Phase/Amplitude Control Matrix for Massive MIMO

福州伟博电讯有限公司

大规模MIMO（多路输入多路输出）是一项人们正在开发的能够使5G通信达到10Gbps速率的技术，尤其在毫米波以下频率。它能够帮助实现5G电磁信号应用环境仿真、OTA波束赋形算法研究、以及5G阵列天线和5G系统的开发、评估和测试。一旦5G开始部署，大规模MIMO阵列将进行大规模的生产及测试。为了支持这些系统的开发和测试，伟博电讯（Mitron）研发了高精度、多通道宽带幅相控制矩阵，产品具有超高的精度、非常宽的带宽，为适应未来5G要求做好了准备。

目前，市场上所有的幅相控制矩阵和模块普遍采用MMIC（单片微波集成电路）数字式移相器结合数字式衰减器实现，而数字式衰减器和数字移相器芯片在6GHz以下能提供的最小步进为0.25dB和1.4°，这意味着理论上最多只能实现±0.5dB和±2.8°控制精度，实际产品由于各种不确定性，精度则比理论值要差。在目前所建议的5G毫米波频段如25~40GHz，市场上能找到的毫米波数字移相器和衰减器产品则少之又少，见诸报道的产品只有0.5dB和5.6°步进分辨率，它们的精度将差于±1dB和±11.2°理论值。这些现有的产品根本无法满足未来5G系统对精度的要求。而且，目前市场上大部分产品为窄带，典型的带宽仅为200MHz，因此测试5G跨多个频段的大规模MIMO将需要多个不同的窄带幅相控制通道或设备，这势必会大幅增加测试系统的成本。

伟博电讯采用设计数控模拟电路的完全不同的方法来实现幅度和相位控制，通过快速的自动测试系统及软件算法对幅度和相位的频率响应进行校准，这样使得宽带和高精度的幅相控制目标得以实现。相较于用传统的芯片数控移相器衰减器方式所做的产品，伟博电讯高精度幅相控制矩阵在宽频带具有更高的幅度和相位控制精度、更宽的频率带宽、更高的幅度控制动态范围、更宽的瞬时带宽和更好的性能重复性。而且单个产品便能分别覆盖1.7~6GHz、6~18GHz和25~40GHz全部频段，所以仅一台设备便可满足多个5G频段测试需求，将极大地减少5G在研发和生产测试上的测试设备投资。

伟博电讯开发的1x16幅相控制矩阵系统覆盖了1.7-6GHz和24-40GHz（图1）的极宽频率范围，所有模块集成于一个2U 19”机箱中，可以通过GUI控制软件（图2）设置所需的幅度及相位值从而获得相应的测试数据及曲线。该产品具有非常宽的瞬时带宽，仅需两个系统就可覆盖5G所需的主要微波和毫米波频段。

图1  1xN幅相控制矩阵框图

图2  GUI软件控制界面

每个1×16矩阵最大控制范围为360°、50dB，步进：1°、0.1dB。在全频段范围内，衰减范围0 ~30 dB，幅相控制精度为0.2dB、2°；衰减范围30 ~50dB，幅相控制精度为0.4dB、2.5°。图3展示了在1.7GHz、衰减0~50dB范围内的幅相精度。图4则展示了在40GHz毫米波范围内的测试数据。

图3  幅度控制范围0~50dB，频率范围1.7GHz的相位（a）和幅度（b）精度

图4  幅度控制范围0~50dB，频率范围40GHz的相位（a）和幅度（b）精度

采用如同“乐高®”积木式的模拟控制电路便可轻松实现1×32、1×64、2×32、4×8、4×32或M×N的各类结构的矩阵，而且满足相同的精度要求。

伟博电讯

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