介绍
本文演示了如何使用Matlab®和模拟万博1manbetx®功能和工具箱到：
- 设计和合成复杂天线单元、MIMO相控阵和子阵
- 分区的混合波束形成系统智能地RF和数字域
- 验证空间信号处理算法的概念
- 使用高保真仿真验证链路级设计
- 评估失败或不完美的元素和子阵的影响
- 消除硬件建设之前的设计问题
本申请的MATLAB和Simulink产品的基本目标是提供一种直接万博1manbetx路径，以扩展模型的s manbetx 845频率在项目开发的许多阶段上。这包括使测量数据引入天线模式的模型和传播路径的任务。它还包括通过使用Simulink的多域模拟的背景下的RF组件的模型来扩展RF链的保真度。万博1manbetx
注意：在下面的示例中，我们使用相控阵系统工具箱™，天线Toolbox™，RF BlockSet，RF Toolbox™，Communications Toolbox™和全局优化工具箱来完成关联的工作流程。
为5G设计大规模MIMO阵列面临的挑战
由于5G标准继续发展，更高数据速率，降低延迟网络访问以及更节能的实现的目标清晰。更高的数据速率驱动需要更大的带宽系统。频谱的可用带宽不足以满足这些要求。这已将目标工作频率带移动到毫米波范围内，用于下一代无线通信系统。
与智能波束赋形阵列设计
更小的波长在这些更高的频带，使实现更多的天线元素，每个系统在小的形式因素。在这些频率下工作的信号路径和传播挑战也会增加。例如，60 GHz波形由于气体吸收的衰减大于10 dB/km，而700 MHz波形的衰减在0.01 dB/km量级。你可以用智能阵列设计和空间信号处理技术(包括波束形成)来抵消这些损失。这种类型的处理可以通过大量的MIMO阵列实现，并且可以直接用于提供更高的链路级增益，以克服路径损耗和不需要的干扰源。
为了实现具有主动阵列设计中的波束成形的最大控制和灵活性，希望在每个天线阵列元件上具有独立的加权控制。这需要专用于每个元素的发送/接收（T / R）模块。对于典型的典型MIMO通信系统的阵列大小，由于成本，空间和功率限制，这种类型的架构难以构建。例如，对于每个通道具有高性能ADC和DAC（以及支持组件）可以推动超出分配的设计预算的成本和功率。万博1manbetx类似地，每个通道的RF链中的可变增益放大器增加了系统成本。
混合波束形成
混合波束形成是一种可以用于在数字域和射频域之间划分波束形成的技术。系统设计人员可以实现混合波束形成来平衡灵活性和成本，同时仍然使系统满足所需的性能参数。通过将多个阵列单元组合成子阵列模块，发展了混合波束形成设计。发送/接收(T/R)模块专用于阵列中的子阵列，因此系统中所需的T/R模块较少。元件的数量和每个子阵列中的位置都可以选择，以确保在一系列转向角度中满足系统级性能。
使用发送信号链作为我们的第一示例，子阵列内的每个元素可以直接施加在RF域中的相移，而基于复重加权矢量的数字波束成形技术可以应用于馈送每个子阵段的信号。数字波束成形允许在子阵列级别聚合的信号上的幅度和相位控制信号。出于成本和复杂性原因，RF控制通常限于向每个元素施加相移。
图1。混合波束形成系统结构：发射机、信道和接收机。
诸如图1中所示的系统是复杂的开发。您可以使用建模技术来设计和评估大规模的MIMO阵列和相应的RF和数字架构，以帮助管理其复杂性。通过这些技术，您可以在项目的最早阶段降低风险和验证设计方法。我们将首先查看阵列设计示例。
我们为5G无线社区中常见的每个示例具有选定的参数，但可以修改所示的所有示例以匹配所需的配置。
设计阵列
在设计数组时需要考虑许多因素。典型的阵列设计包括诸如阵列几何，元素间距，元件的格子结构的参数，元件逐渐变细。此外，相互耦合的影响对于在实现最终设计之前表征是重要的。一旦阵列设计的初始配置完成，就可以迭代地评估架构分区，以防止整体系统性能目标。
利用毫米波系统，阵列的面积与波长尺寸成比例地减小。作为示例，以毫米波频率设计的天线阵列可以比旨在在微波频率下操作的阵列小的100倍。通过构建具有更多天线元素的阵列，您可以实现高波束成形增益。高度指示梁有助于抵消较高频率的频率下的增加的路径损耗，因为光束被转向到特定方向。
要启动阵列设计过程，可以从MATLAB提示符启动分阶段阵列系统工具箱的传感器阵列分析仪应用程序：
>> SensorArrayAnalyzer.
图2.传感器阵列分析仪应用程式阵列设计。
您可以在图2所示的array Settings窗口中编辑直接在应用程序左侧定义阵列的所有设计参数。参数包括阵列大小、阵列几何体、元素间距和锥化。
从应用程序，你可以轻松地可视化生成的几何，2D和3D的方向性，并且栅瓣图。
为了实现在方位角和仰角转向，可以设计一个均匀间隔的平面阵列。图3示出被设计传感器阵列分析仪应用程序内的64×64均匀的矩形阵列的例子。的大量元素提供指向性较高的水平。下面也示出的设计具有锥形施加到行和所述阵列的列以降低旁瓣电平。如同所有的设计选择的情况下，具有较窄的光束实现较大的天线增益必须的事实，MIMO系统是基于散射也依赖于更广泛的波束图案以最大化信道容量的环境中进行平衡。这种权衡也可以在交互式设计过程评估。
图3.波束图案和栅瓣图66 GHz的64×64元件的设计。
在图3的右侧显示的图像示出了元件之间的半波长间距，没有预期的整个转向方向上的光栅凸栅。重要的是要理解这里的影响，因为可能需要增加元件之间的间距来减轻相互耦合的影响。这是需要考虑的重要设计考虑因素。幸运的是，在半波长间距较小的较高频率下以开始使用的较高频率，元素分离的增加10％的波长仅需要在66GHz处的更换小于0.5mm。图4显示了使用光栅凸耳图必须考虑的权衡，其中元件之间的间距增加10％。为此，光栅裂片仅在+/- 54.9度之外存在方位角和高度角度。这可以对阵列交易，而元素之间的空间较少（更互耦效应）。
图4。元件间距大于半个波长的光栅波瓣图。
当设计阵列的过程完成后，就可以从该应用中，并直接在模型或作为用于进一步定制的起点或者使用产生MATLAB代码，如图5。
从传感器阵列分析仪图5.生成MATLAB代码。
扩大示范富达：天线和RF
在前面的示例中，使用理想的天线元件来建模阵列图案。有多种理想的元素选项可用于开始，包括全向和余弦元素。在下一个示例中使用的元素不再是理想的，并且基于设计用于66 GHz共振的贴片天线。参见完整的MATLAB示例对于这种类型的天线元件设计的。
我们提取了一些关键代码部分以显示如何在天线工具箱中快速设计天线。我们使用在我们的示例中以66 GHz在66 GHz中共振的补丁微带元件。结果图案也在图7中显示。
我们开始用天线工具箱库贴片元件和直接修改音色参数在66 GHz的工作。该代码示例和补丁结构（图6中示出）如下所示。
p=微带线；p、 长度=0.49*lambda；p、 宽度=1.5*0.49*lambda；p、 高度=0.01*lambda；p、 地面平面长度=λ；p、 地面平面宽度=λ；
图6.补丁微带元件。
我们产生贴片元件在自由空间中使用全波电磁解算器天线工具箱，其中F0 = 66e9模式：
p _孤立=模式（p，f0）;图案模式（p，f0）;
图7.使用天线工具箱中的全波EM求解器生成的元素模式。
请注意，我们将Patch Element参数直接修改在上面的代码中，但在天线工具箱中也可以使用专用函数，以便直接为任何库元素和频率组合生成参数。在这个例子中，这将是：
P =设计（patchMicrostrip，66e9）
接下来，我们构建一个均匀线性阵列（ULA），它在本例中用作子阵列。然后，我们基于多个子阵列的集合创建一个完整的阵列。根据上面显示的代码，我们为子数组中的每个元素生成模式P_isolated。P_isolated被定义为横跨方位角和仰角范围的图案。
我们模拟了一个8x1元素均匀的线性阵列，其中每个元素具有来自贴片元素的图案响应。然后将八个子阵列复制以使用下面显示的MATLAB代码来形成8x8阵列。注意，每个子阵段中的元素的锥度可以直接应用于子阵列。汉明重量被添加以减少所产生的模式中的侧瓣的水平。
分阶段阵列分阶段阵列的定制天线元素的%%定义parmeneLement = phased.cantomantennaeLement;PatchElement.azimuthangles =（-180：5：180）;PatchElement.elevationangles =（-90：5：90）;pationElement.radiationPattern = P _孤立;％相平阵列设计使用孤立元件的图案叠加numelementsa = 8;在每个子阵列％数量的天线元件numElements = 8;在阵列中的子阵列的数目％％子阵列设计（垂直堆叠的补丁）sula = phased.ula（“NumElements”，努梅莱门萨，。。。'元素', patchElement,…'ElementsPacing',λ/间距,……'Arrayaxis','Z',“圆锥”，汉明（8））;％阵列设计（水平堆叠的子阵列）aura = phased.replationsubarray（“子阵”苏拉，...'GridSize'，[1 numElementsS]，...“子阵列转向”、“相位”和，。。。'phaseShifterfrete'，f0，...“网格间距”，λ/间距）；
相控阵系统工具箱可以很容易地通过复制使用phased.ReplicatedSubarray System对象子阵列建大阵列，如图上面的代码。将所得的阵列结构可以如下，其中每个子阵列（8个元件X 1级的子阵列）的左侧图8.全阵列（子阵列1在8列复制）的所示，在右边示出可视化。
图8. 8x1 ULA子阵列和相应的完整阵列。
完整阵列如图9所示。
图9.相应的完整阵列。
从混合波束形成的角度来看，您可以将驱动8x1阵列内元件的每个信号通过移相器传递，以便在仰角平面内进行转向。我们将在下一节中展示如何在RF域中对此进行建模。此外，可通过数字波束形成技术控制馈送八个子阵列的每个信号，以在方位方向上控制波束。
此阵列配置，其中已经使用叠加计算所得的波束图案，示出了在图10中随着RF和数字波束成形的这种组合，可以在方位角方向上的转向角达到更细的粒度。图11提供了与矩的叠加方法计算出的子阵列图案的比较。
图10。使用相控阵系统工具箱使用叠加技术生成阵列方向图。
图11。叠加法与矩量法计算子阵图的比较。
在此示例中，我们从架构的架构的分区开始，该架构对于具有相移（在RF域中应用）和复制权重（在数字域中应用）的复杂权重。对于基本分析，您可以使用MATLAB和相控阵系统工具箱生成权重，如下面的代码所示。
％复合重量用作Digita的一部分;基带预编码wt _ digital = steervec（subpos，[tp.steringangle; 0]）;%用作射频预编码一部分的模拟相移值wt _模拟= exp（li *角度（steervec（steervec（subelempos，[tp.steringangalle; 0]）））;%%%从系统的角度来看，混合波束形成的效果可以%由混合权重表示，如下所示。WT _混合= KRON（WT _数，WT _类似物）;
与建立早期阵列的设计参数，数字权重和在MATLAB代码以上可使用在Simulink的架构模型被应用于生成的RF相位偏移，那么它可以是一个多域系统仿真（的一部分组合成如图12所示万博1manbetx）。
在该框图中，您可以看出相移相移作为每个子阵列的输入，然后将其应用于RF信号。数字波束成形权重用于塑造馈送每个子阵列的信号。
在Simulink内使用RF块集以执行电路包络模拟（请万博1manbetx注意电路包络允许您实现快速仿真）。RF BlockSet包含一个RF组件库，例如放大器，混频器，滤波器，耦合器分离器和其他可以用于创建RF链的典型部分。这样做是为了增加模型的保真程度。
图12。Simulink和RF块集中的多域混合架构。万博1manbetx
使用RF模块集的块，以控制移相器图13的RF发射链。
图13提供了从图12中的单个RF阵列块中的详细视图。图13中所示的RF相移器在高度平面中执行波束形成，而基带重量在方位角中提供波束形成。您可以使用从供应商的数据表中获取的参数配置每个块。功率放大器和调制器块如图14和15所示，以说明这种能力。
图14.调制器的示例。
功率放大器的图15实施例。
在模型中创建RF链的另一种方法是使用RF预算分析器，它是RF工具箱的一部分（如图16所示）。在这里，您可以直接在应用程序中构建射频链，包括用S参数表示的设备、混频器、放大器和滤波器。这个应用程序提供了一个直观的界面来直接建立你的链接预算。您可以使用出口在工具条上的选项。
图16. RF预算分析仪。
值得注意的是，我们示例中的最后一个块还包括前面描述的数组的详细模型。模式(表示为P_antenna）包括相互耦合的效果，并直接在阵列中作为定制天线使用。P_antenna定义为横跨方位角和仰角的辐射模式。请注意，从实际元素测量的模式也可以以相同的方式导入到模型中。
此外，8元件ULA的阵列参数也包括在该相同的块中，如图17所示。
图17.在Simulink模块内使用阵列设计。万博1manbetx
结合优化技术提高光束模式
到目前为止，我们一直专注于在数字和RF子系统之间建立特定的配置和分区。我们可以继续构建我们的系统链接级模型，并了解性能如何变化随着转向权重的变化，以及频率如何影响性能。
如果有大量的元素和宽频频带的操作，这可以是手动密集的过程。
或者，我们可以利用优化工具箱™和全局优化工具箱的优化技术，以迭代地了解如何调整阵列间距和元素逐渐变细，以实现混合波束形成系统的所需性能。
图18说明了这是如何实现的。例如，可以尝试到一个特定的波束图案匹配或可能要驱动的波束图案的属性在特定方向（例如，较低的旁瓣，更窄的波束宽度）。
图18.阵列合成的工作流程。
全局优化工具箱提供了可当有许多局部最优解（或当功能不顺畅）使用求解。万博 尤文图斯在我们的例子中，我们希望得到在一组转向角和频率，转化为需要多个最优解的最佳性能。万博 尤文图斯
作为优化的一部分，可以设置输出的约束，例如权重和元素位置。这可以包括约束每个子阵列中元素数量的参数，其中元素位于子阵列中。它还可以包括考虑相移量化的影响。您可以使用此通用功能来确保优化后的设计实际上是可构建的。
设置数组后，可以确定跨越方位角和高程角度的波束模式。然后，您可以直接使用此数据以提取与模式相关联的密钥指标。此示例侧重于主叶，侧瓣和波束宽度，但可以考虑许多其他参数。
使用寿命分析模型和校准框架开发
在审查评估链接级性能的方法之前，有趣的是要注意，您可以使用该模型来支持各种特定的“如果”分析练习，这些练习涉及更详细的设计权衡和生命周期规划。万博1manbetx例如，通过所产生的建模框架到位，您可以找到最佳实现阵列变薄。您可以评估阵列中失败元素的相对影响。这对于确定维护周期来说很重要。对于未完成24/7的数组，在访问网站之前可以容忍多个故障，并且修复故障。图19中的光束图案示出了具有15％元件的光束图案中的劣化失败。
图19.失败元分析。
您也可以在子阵列级别执行类似的分析。示例如图20所示，其中阵列由6x6子阵列构建。得到的光束图案也示出了在失败状态下的36个子阵列的10个。同样，您可以使用此类数据来确定应该实现多少子阵列。它也可以以类似于前面描述的维护概念的方式使用。
图20。失败的子阵列架构。
评估链路级别的性能
完成阵列，子阵列和波束成形设计后，您可以在阵列和子阵列周围实现更大的系统。您可以设置方案和信号处理算法，包括波束成形和DOA集成。有多种方法可以可视化链路级性能，包括图21中所示的星座图。这个例子演示了如何可以完成此。
图21。链路级别的性能评估。
MultiBeam混合系统架构
该模型可以扩展到支持多用户波束成形系统。万博1manbetx可以使用上述的基带波束形成块以创建多个波束从阵列覆盖多个用户同时，如图22所示。也可以使用这个波束成形以考虑发射器和期望的用户位置之间的路径的变化。
您可以组合产生的信号以执行RF波束成形并在来自基站的特定距离处的扇区中的不同用户提供服务。
图22。多波束混合系统架构。
概括
MIMO阵列和相应的RF和数字架构是5G设计的关键组件。这些组件还驱动相关的混合波束形成系统。必须在这些系统中达到余额，以满足系统性能目标和系统级成本目标。
建模和仿真技术可以帮助减少这种复杂的工作流相关的风险。保真度更高的水平可以在整个项目生命周期中被添加到最终系统实施带来的模型线。
开发混合波束形成器和评估算法替代方案仅是实现无线通信系统所需性能的第一步。为了评估性能，光束形成器必须集成到系统级模型中，并在参数，转向和频道组合的集合上进行评估。
在整个系统的上下文中建模这些波束成形算法，包括RF，天线和信号处理组件，可以帮助验证项目的最早阶段的设计选择，并降低相关的挑战。
在MATLAB中，你可以用一个全波EM求解器来设计天线元素。您可以在复杂的数组设计模型中直接使用生成的元素模式。迭代数组的关键参数很容易，包括几何形状、锥形、元素间距和元素之间的晶格结构。当您设计阵列时，您可以访问一整套可视化，包括2D和3D方向性和光栅瓣图。或者，您可以从一个波束模式开始，并合成一个生成所需模式的数组。
你的空间信号处理算法库可在您的系统模型中，包括窄带和宽带波束形成和到达（DOA）估计算法的方向。
您可以使用单个组件，例如基带接收和发送系统，并在MATLAB中连接，以形成系统链路级模型，在整个系统性能的上下文中可以进行评估和测试设计。还提供了许万博1manbetx多支持组件，包括由于大气条件（例如，雨，天然气，雾），多径反射和平台运动建模而导致的模型传播效果。
除了上述系统建模，可以使用相控阵模型来评估，如设备的生命周期规划（失败的元素和子阵的影响），或帮助校准框架的发展（以正确的不完善元素和阵列区）。
随着项目的发展，扩展RF域中保真度的级别可能是有价值的。您有多种方法可以使用您的天线和射频设计进行此操作。
