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5G 毫米波通信技术：波束成形技术的开发研究及挑战

微波射频网

2022-03-02

导读：稜研科技研发的波束成形开发平台包含了射频前端、波束成形开发套件，集功率放大器、低噪声放大器、移相器于一体，可借由控制软体 TMXLAB Kit（TLK）调制无源天线及相位和振幅，搭配简单的图形化控制接

协助开发者省时与低成本 -

天线开发与雷达技术侦测心跳成功案例

毫米波频谱为 5G NR、低轨道卫星、雷达，以及未来无线通讯科技奠定基础。毫米波（mmWave）技术不仅实现了真正的 5G 愿景，高频段还广泛地应用于卫星通信和物联网等行业。在 5G NR 毫米波频段的 FR2 的应用上，为了克服毫米波频段中相对较高的路径损耗并增加波束复盖能力，毫米波天线阵列设计是重要的电路设计之一。因此，波束成形和波束控制技术成为毫米波不可或缺的要素。稜研科技为此打造一系列实惠的毫米波解决方案。

稜研科技是 5G / B5G 与卫星通讯应用技术的创新者，透過创新的技术改造毫米波射频前端，拥有最先进的天线封装 (AiP) 技术，实践毫米波阵列天线，打造通讯基础建设所需的阵列天线模组与主被动元件，并研发为 R&D 市场打造的波束成形开发与教学套件。

图一：毫米波通信研究架构

稜研科技研发的波束成形开发平台包含了射频前端（高增益阵列天线）、BBox 5G 波束成形开发套件，集功率放大器、低噪声放大器、移相器于一体，可借由控制软体 TMXLAB Kit（TLK）调制无源天线及相位和振幅，搭配简单的图形化控制接口，快速建立毫米波原型进行演算法开发。同時，简化天线研究学者繁琐的设定，使其专注于天线的开发。

实际落地的成功案例

1. 毫米波生物医学探测雷达

（Non-contact Vital Signal Detection OF COVID-19 ）

为了达到非接触式的生理信号监控，生物雷达为热门的选项之一。现行生物雷达多采多普勒原理，侦测位移/晃动状态。然而，毫米波具有波长短的特性，物体位移/晃动所引发的多普勒效果更加显著，进而可以使侦测到的生理信号具有更高的解析效果。

夏威夷大学马诺阿分校 (UH Manoa) Yao Zheng教授团队透过稜研科技的两台 BBox Lite 和一台 UD Box，将现有仪器升级至毫米波频段，并达到可控波束方向空口收发功能。其中，稜研科技的软硬件整合完整，使研究人员/开发者可以简易且快速地完成毫米波量测的架设，更专注于研究开发和实验测试。

2. 5G 毫米波双极化终端天线研究

（1x4 multi-band dual-polarization mmWave antenna array）

西安电子科技大学赵鲁豫教授的团队进行「手机用毫米波天线模型研究」，为一款紧凑的 1x4 多频段双极化毫米波阵列天线，阵列天线的整体尺寸足够小到可以放置于手机当中，且可以完全覆盖 n258 至 n261 的 5G NR 频段。

其中，阵列中的天线单元 (Antenna Element) 是影响整体天线阵列特性的重要设计。在完成天线阵列设计后，更需藉由增益 (Gain) 与相位 (Phase) 调整，进一步验证天线阵列在前端系统中的表现。

赵鲁豫教授最终使用了 BBox，除了能有效节省建置成本，又能建立多信道测试的实验环境。BBox One 拥有 16 个独立 RF 信道，可各别控制振幅与相位，教授只需在 BBox One 接上实验室原有的二信道 VNA ，就能实际测试 1x4 双极化天线的不同角度天线场型，确认实际的天线效能与理论模拟之间的数据对比。

简介

5G 毫米波波束成形开发套件

5G mmWave beamforming development tool

图二：毫米波波束成形器组成架构

5G 毫米波波束成形开发套件 BBox 系列更是一款热门的开箱即用波束成形器。

BBox 5G 系列产品包含 BBox Lite 5G 和 BBox One 5G ，小型 SMPM 连接器利于天线设计者使用与设计，并可以太网连接调整每个 RF 信道相位和增益。一款可以提供波束成形的开发工具，协助您专注于阵列天线开发，无须额外花费时间再来整合功分器、移相器、放大器和收发开关，适合进行天线设计、系统设计和演算设计。您也可以将自行设计的无源天线连接上已装备好的有缘电路，即可进行波束成形实验。

BBox One 5G 毫米波波束成形器有十六个独立的调幅和调相信道，可实现二维与三维波束扫描。可拆解式无源天线的设计协助您进行无源天线开发，整合移相器、功率放大器、低噪声放大器和收/发器让您的天线实验将变得更有弹性与人性化。

图形化使用者接口 TMXLAB (TLK)

另外，您可借由控制图形化使用者接口 TMXLAB（TLK）自行转换 Tx 和 Rx 模式，经由 LAN 端口连接到 BBoard，可控制每个射频端口的相位和振幅，形成波束，也可直觉性的拖曳调整实际波束的角度，透过动划视图与场形图来比较不同角度的波束演示。应用程序接口（API）支援 LabVIEW、MATLAB、Python、C#、C++ 等程序语言。