34. 5G毫米波-聊聊毫米波陣列天線波束的控制

5G毫米波主要是透過設計多個天線單元的天線陣列形成波束, 使能量能夠集中, 因而產生天線陣列的增益!

每一個天線單元在發射端的相位都相同就可以形成建設性干涉的能量聚合而形成波束!

 而使每一個天線單元相同相位的達成主要是透過調整波束成形器中的相移器(Phase Shifter)來達成!

目前使用在5G毫米波的相移器, 相位的控制是透過數位的方式來調整, 大都是5個位元或是6個位元, 以一個完整圓圈360度來說, 5個位元等於是將360度分成2的5次方, 也就是32個等分, 每一個等分為11.25度, 也就是目前5G毫米波的相移器的調整精準度是11.25度!!

以5G毫米波小型基站的基地台為例, 基地台必須360度都能夠通訊, 一個基地台涵蓋角度為90度或是120度, 若是90度, 就需要布建4個, 若是覆蓋角度可以達到120度, 則只需要3個就夠.

 當然對於電信營運商而言建置成本會比較低, 是比較好的選擇, 但對於天線工程師而言, 就必須確保所設計的波束場型在正負60度的地方, 增益不會掉太快 掉太多!!

為符合5G使用者移動通訊的需求, 以及可以隨著不同使用者在時槽(Slot)做調整, 波束必須能夠快速調整方向, 也就是所謂的快速的"波束追蹤"!

目前5G毫米波的設計主流, 並不是以類似飛彈雷達陣列透過預估的方式來形成波束的指向, 因為這會需要很快的運算能力, 同時這對於基頻信號處理會是很大負擔與很高的成本. 因此5G毫米波是以波速切換的方式來達到快速方向切換的需求!

 

波速切換是透過調整相移器的設定, 而相移器何時需要設定與切換? 一個時間點是在基地台布建時, 一個則是使用者移動到不同位置時!

而當使用多個天線單元形成陣列天線, 多少個天線單元就有多少個相移器需要做設定與調整. 以64天線單元天線陣列為例, 就有64個相移器需要設定與快速調整, 目前設計方式是以預存事先設計好的波束表(Beam table)來達成的!