一种用于混合相控阵MIMO系统的平面有源阵列天线外文翻译资料

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一种用于混合相控阵MIMO系统的平面有源阵列天线

林盛立，魏鸿一，彭晨，张艳，陈哲，杨文文

信息科学与工程学院，毫米波国家重点实验室，东南大学，南京210096，中华人民共和国

邮箱： lsli@emfield.org

摘要：多输入多输出（MIMO）技术在第四代中起着重要作用以及未来的无线通信系统来满足爆炸能力要求。在传统的MIMO中进近，天线元件远离每个其他消除相关性并利用空间多路复用。然而，MIMO提供的这种优势以失去在智能天线系统。我们提出了一种新的技术与有源相控阵的MIMO通信我们称之为混合相控阵的每个发射器/接收器MIMO。相干处理增益可以通过为每个子阵设计一个权重向量以形成波束朝向空间的某个方向。此外，子阵共同处理形成一个MIMO系统。一种用于TD-LTE的四输入输出混合相控阵MIMO系统设计并实现了基站。测量的结果验证了该系统的有效性。

关键词：有源天线系统，MIMO，相位数组，TD-LTE。

一、引言

在过去的几年中，人们对多输入多输出（MIMO）系统越来越感兴趣，因为它带来了系统容量增加、减少码间干扰以及使用空时编码提高可能的数据速率的潜在好处。MIMO经过长期评估（LTE）已被认为是未来无线通信系统中提高频谱效率的关键技术。Foschini^[1]表明，在一个MIMO系统中，如果描述MTransmit n-receive系统中无线链路的ntimes;m信道矩阵具有理想的独立衰落元素，那么该系统的容量将随着最小天线数（min（n，m））线性增长。然而，当存在主导视线（LOS）时，在缺乏丰富多径环境的情况下，该统计模型没有显示出很大的容量增长^[2][3]。传统的多输入多输出（MIMO）系统也会消耗很大的空间，因为每个天线之间的最小空间应该是几个波长，以消除彼此之间的相关性。这也导致智能天线阵中波束形成能力的丧失。为了克服这些缺点，研究了相控阵与多输入多输出（MIMO）系统的协同工作，以提供模式多样性。相控阵具有将波束转向所需方向的能力，从而及时改变多径条件，以往的研究表明，MIMO中的定向天线和波束转向可以提供更多的系统容量，同时兼顾复杂性^[4]-[6]。此外，雷达系统采用MIMO技术与相控阵相结合，结合相控阵定向增益和MIMO阵列空间分集增益的优点^[7]。

提出了将相控阵应用于MIMO系统^[8]-[10]的几种证明，据作者所知，它们都采用了无源相控阵，在发射模式中存在很高的插入损耗和接收机灵敏度的降低。由于移相方案的局限性，现有的解决方案也存在波束指向范围和精度差的问题。

本文设计并实现了一种采用主动天线系统（AAS）进行波束控制的TD-LTE复杂MIMO系统^[11][12]。整个MIMO系统可分为四个子单元，每个子单元是一个完整的有源4times;4均匀平面相控阵。天线阵中的每个辐射元件都与射频收发器和移相单元相关联。4times;4天线阵在水平面和垂直面上均能使辐射光束在-40°到40°范围内转向，精度小于0.1°。根据最近对LTE系统的网络性能研究^[13]-[15]，垂直分段和自适应波束形成与标准单元部署相比，表现出显著的性能改进。

在下面的章节中，我们将深入讨论相控阵结构设计中的系统级和电路级问题。第二节讨论了混合相控阵MIMO系统的信道容量。第三节介绍了收发信机的结构，并简要介绍了本系统采用的天线元件，最后第四节给出了实验结果。

1. 相控阵MIMO的信道容量

对于混合相控阵多输入多输出（MIMO）系统的信道容量，各研究小组都做了各种各样的工作，大多数研究小组采用光线跟踪法来获取信道矩阵和信道容量。相控阵的波束宽度对信道容量有影响，如果能优化辐射方向，相控阵在直瞄和非线性视景（NLOS）情况下都能比传统的MIMO提供更好的容量。MIMO系统中采用的相控阵提供了模式多样性，能够通过波束模式的旋转及时改变多径条件。即使在很少的散射环境中，具有定向天线的MIMO系统在天线对之间也能产生良好的空间去相关，而具有全向天线的MIMO系统在天线彼此靠近或在没有足够的多径丰富性。已经证明多输入多输出（MIMO）系统中各接收支路的相控阵天线可以显著降低误码率，提高系统性能^[10]。如何优化收发信机各支路的波束方向，目前仍在研究中。

1. 提出MIMO相控阵的方案

（1）拟议系统概述

所提出的混合相控阵MIMO系统由4个子单元组成，每个子单元由4times;4有源平面相控阵组成，如图1所示。

图1

每个分支中的子单元的详细信息如图2所示。系统的中心工作频率为2.35GHz，带宽为100MHz。4times;4天线阵在水平面和垂直面上均能将辐射光束控制在-40度至40度范围内，精度小于0.1度。采用了低移方案，利用DDS在每个收发器中产生低信号，使其高在0~360°范围内精确移相。天线阵中的每个辐射元件都与一个完整的射频收发器和移相单元相关联。收发器在TDD模式下工作，支持TD-LTE要求。本系统所采用的辐射元件是一种设计用于2.35GHz工作的锥形槽天线，有效带宽为100兆赫以上^[16]。辐射天线通过一对SMB连接器直接连接到收发器，这避免了传统配置中的电缆损耗。该天线尺寸为60毫米times;65毫米，制作在厚度为1.5毫米、介电常数为2.65的基板上。天线在E平面和H平面的增益分别超过6db和3db，波束宽度分别为90°和120°以上。

（2）收发器的结构

该相控阵多输入多输出（MIMO）系统中的每个单元都有16个单元，组成一个4times;4的均匀平面阵列。每个元件都有一个辐射天线和一个完整的收发器，工作频率从2.3GHz到2.4GHz，以支持TD-LTE。一行/一列的结构如图3所示，每个信道中的收发器具有相同的配置。所有收发器都安装在一个固定在金属上的印刷电路板上。夹具如图2所示

图2各支路二维平面相控阵样机

收发器具有超外差结构，并且低频设置为1.3GHz。单个收发器中的每个发送器可获得42dB的增益，并能产生高达21dBm的输出功率。每个接收器信号路径的增益为37dB，噪声系数低于3.5dB。收发信机的主要部件包括单刀双掷（SPDT）开关、功率放大器、低噪声放大器（LNA）、混频器和中频部分。在TX模式下，中频信号被分成16个部分，通过级联威尔金森功率分频器为每个通道的混频器供电。同样，RX部分的每个路径中的中频信号通过相同的功率分配器进行组合。DDS芯片（AD9959）产生四路LO信号，各路的相移可由芯片中相应的相位调谐字（PTW）控制。收发器的射频部分如图3实线所示，在印刷电路板的顶面上实现，而LO部分如图3虚线所示放在底面上。这使得射频部分和低端部分之间的隔离非常好。DDS用于产生所需的LO信号并控制每个信道的相移。DDS移相的原理和实现不会详细介绍。该系统的相移分辨率为0.022°，与设计天线阵中小于0.1°的波束转向分辨率相对应。

图3

四、实验结果

整个系统的测量分为两部分：射频通道性能测量和天线辐射方向图测量。射频信道性能包括发射机、接收机和低电平部分，所有这些都可以通过一个矢量信号发生器和一个由安捷伦技术支持的89600软件频谱分析仪来测量。天线辐射方向图和波束扫描测量在消声室中进行，如图4所示。

图4 被测4times;4相控阵样机

(1)射频通道性能测量

在TX驱动器和功率放大器的测试中进行了常规的S参数测试，经过仔细的调试，各阶段的增益波动都保持在0.5dB以下。测量RX的噪声系数，在任何单个信道中均低于3.5dB。在对不同阶段进行单独测试后，连接并测试整个链路。

作为许多无线接入系统性能评估的标准参数，EVM的测量捕获了相位和振幅不平衡、增益压缩、相位噪声和I/Q失配。当输出电平达到Tx中指定的21dBm时，EVM所指示的总体性能如表所示。

1. 表中列出了单通道输入功率为-60dBm的RX部分的总体性能。

表1.指定输入功率下的总体Rx性能

2.测量过程中使用了不同的调制类型，数据速率设置为每秒20米采样数。

(2)辐射模式和光束扫描测量

在对系统中的所有射频通道进行调谐和测量后，将辐射天线与有源部分集成，在消声室内进行校准。有源天线阵中的所有信道在校准后都是同相工作的，天线阵的主波束将指向正常方向。

光束扫描测量结果如图5所示。

图5一个分支接收器的测量辐射模式（a）水平面辐射图（b）垂直面辐射图

该系统能够在水平面和垂直面上以恒定增益将光束从-40°转向40°，并采用10°的转向步长来显示精度。由于Tx模式和Rx模式的辐射模式相似，因此仅详细给出Rx的测量结果。

五、结论

本文设计并实现了一种用于LTE基站的混合相控阵MIMO系统。提出的MIMO系统包含四个输入和四个输出，每个输入/输出支路是一个完整的有源相控阵，包含16个单元，组成一个4times;4的均匀平面阵列。仿真结果表明，在多输入多输出系统中采用相控阵可以提高系统的信道容量。与已发表的研究成果相比，该有源相控阵具有更好的波束指向精度和接收灵敏度。测量结果验证了相控阵波束图的扫描范围和精度。为了在真实的通信环境中演示系统性能，还需要做更多的工作。

确认

这项工作部分得到了中国国家973项目2010CB327400的支持。

参考文献

[1] G. J. Foschini and M. J. Gans, “On Limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas,” Wireless Pers. Commun., vol. 6, no. 3, pp. 311-335, 1998.

[2] N. Z. Zhang, L. S. Li, and W. Hong, “Experimental investigations on line-of-sight multiple-input-multipleoutput channel characteristics with multi-polarization antenna arrays,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 53, no. 7, pp.1487-1490, 2011.

[3] J. Shen, Y. Oda, T. Maruyama, N. Tran, and H. Kayama, “Channel improvement for line-of-sight MIMO using dualbeam reflect array,” in Proc. 6th EUCAP, Mar. 2012, pp. 25–29.

[4] S. Noghanian and R. Fazel-Rezai, “Antenna beamwidth effects on capacity of MIMO and multi-beam phased array systems,” IEEE CCECE/CCGEI, Saskatoon, May 2005.

[5] H. Kang, G. L. Stuber, T. G. Pratt, and M. A. Ingram, “Studies on the capacity of MIMO systems in mobile-tomobile environment,” IEEE Communications Society, WCNC, 2004.

[6] W. Luo, X. Fang, M. Cheng, and Y. Zhao, “Efficient Multiple-Group Multiple-Antenna (MGMA) Scheme for High-Speed Railway Viaducts,” IEEE Trans. Vehicular Techn., vol. 62, pp. 2558-2569, 2013.

[7] A. Hassanien and S. A. Vorobyov, “Phased-MIMO radar: a tradeoff between phased-array and mimo radars,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 58, no. 6, pp. 3137–3151, 2010.

[8] D. J. Chung, D. Anagnostou, G. Ponchak, and M. M. Tentzeris, “Lightweight MIMO phased arrays with beamsteering

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