Multibeam-Antennenarrays
Quantitative Analyse des Energieaufwands für die Strahlformung
Mit einem mathematischen Modell lassen sich die drei Methoden zur Strahlformung – analog, digital und hybrid – hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme vergleichen. Entwickler können damit erkennen, wie sich die verschiedenen Parameter eines Antennenarrays auf die Gesamtleistungsaufnahme auswirken.
Phasengesteuerte Antennenarrays (phased antenna arrays) spielen in modernen Radar- und Kommunikationssystemen eine immer wichtigere Rolle, was zu einem verstärkten Interesse an der Verbesserung der Systemleistung und -effizienz führt. Digitales Beamforming (DBF) und seine Vorteile im Vergleich zu traditionellen analogen Schaltungen sind seit vielen Jahrzehnten bekannt, aber verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit der digitalen Signalverarbeitung haben seine Einführung verzögert.
Mit der kontinuierlichen Verkleinerung von Strukturen und der damit exponentiell wachsenden Rechenkapazitäten ist das Interesse an der Einführung digital gesteuerter Antennenarrays nun groß. DBF hat zwar viele attraktive Eigenschaften, aber die erhöhte Stromaufnahme und die Kosten sind weiterhin ein Problem. Ein hybrider Ansatz für die Strahlformung kann für viele Applikationen geeignet sein, da er eine höhere Energieeffizienz aufweist.
Analoge gegenüber digitaler Strahlformung
Die Strahlformung besteht im Wesentlichen aus einer Verzögerungs- und Summenoperation, die entweder im analogen oder digitalen Bereich stattfinden kann. Die analoge Strahlformung (ABF, analog beamforming) kann wiederum in Unterkategorien eingeteilt werden, je nachdem, wo in der Signalverarbeitung die Verzögerung oder Phasenverschiebung erfolgt. In diesem Aufsatz wird nur die HF-Strahlformung betrachtet. Wie in Bild 1 dargestellt, werden die Signale von den Antennenelementen gewichtet und kombiniert, um einen Strahl zu erzeugen, bevor sie vom Mischer und dem Rest der Signalkette verarbeitet werden. Auf diese Weise wurden phasengesteuerte Antennenarrays traditionell implementiert.
Einer der Nachteile der analogen Schaltung ist die Schwierigkeit, gleichzeitig eine große Anzahl von Empfangskeulen bzw. Hauptkeulen (Strahlen) zu generieren. Um mehrere von diesen zu erzeugen, müssen die Signale an jedem Antennenelement aufgeteilt werden, bevor sie verzögert und unabhängig voneinander summiert werden. Die Anzahl der dafür erforderlichen VAP-Blöcke (variable amplitude and phase) ist proportional zur Anzahl der Antennenelemente und der Keulen.
Die VAP-Blöcke und die Aufteilung sowie Kombination von Netzwerken benötigen viel Fläche auf der Leiterplatte. Die mit der Anzahl der Keulen zunehmende Flächenanforderung und die Komplexität der Aufteilungs- und Kombinationsnetzwerke machen es unmöglich, in Analogtechnik mehrere Keulen gleichzeitig zu realisieren. Bei einem planaren Antennenarray ist es aufgrund der zunehmenden Fläche auch schwierig, die Elektronik innerhalb des durch den Elementabstand bestimmten Rasters unterzubringen. Grundsätzlich sinkt bei jeder Aufteilung das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), und das Grundrauschen begrenzt die Anzahl der Aufsplittungen, die das Signal durchlaufen kann, bevor es im Grundrauschen untergeht.
Mit Digitaltechnik (DBF) ist es hingegen relativ einfach, gleichzeitig mehrere Keulen zu formen. Wie in Bild 2 dargestellt, werden die Signale für jedes Antennenelement unabhängig voneinander digitalisiert, und die Strahlformungsoperationen finden dann in der digitalen Domäne statt. Digital kann eine Kopie der Signale ohne jeglichen Verlust an Originaltreue erstellt werden. Die neue Kopie der Signale kann dann verzögert und summiert werden, um eine neue Keule zu erzeugen.
Dieser Vorgang kann so oft wie nötig wiederholt werden, so dass theoretisch unendlich viele Keulen entstehen können. In der Praxis wird die Anzahl der Keulen oder das Keulen-Bandbreiten-Produkt durch die Grenzen der digitalen Signalverarbeitung und die damit verbundene Leistungsaufnahme sowie durch die Kosten begrenzt. Außerdem kann digital die Anzahl der Keulen bei DBF während des Betriebs neu konfiguriert werden, was bei analogen Techniken nicht möglich ist. DBF verspricht auch eine bessere Kalibrierung und adaptives Auslöschen von Störsignalen.
Alle diese Vorteile machen DBF attraktiv für eine Vielzahl von Antennenarray-Applikationen in Kommunikations- und Radarsystemen. Für diese Vorteile müssen Entwickler aber höhere Kosten und eine höhere Stromaufnahme in Kauf nehmen. DBF im Basisband erfordert einen ADU und einen Mischer für jedes Antennenelement, im Gegensatz zu einem für jede Keule bei der analogen Beamforming-Schaltung. Die größere Anzahl von Komponenten erhöht die Stromaufnahme und die Kosten erheblich, insbesondere bei einem großen Antennenarray.
Da die Strahlformung bei DBF im Basisband erfolgt, sind Mischer und ADUs allen Signalen ausgesetzt, die von den einzelnen Antennenelementen empfangen werden können. Sie müssen daher über einen ausreichenden Dynamikbereich verfügen, um mit möglichen Störsignalen umgehen zu können. Bei der Strahlformung im HF-Bereich profitieren der Mischer und der ADU von der räumlichen Filterung, so dass die Anforderungen an den Dynamikbereich verringert werden können. Die Signal-Verteilung der hochfrequenten Oszillatorsignale (LO, local oscillator) unter Beibehaltung der Phasenkohärenz ist ebenfalls eine Herausforderung für die DBF-Implementierung und erhöht die Stromaufnahme.
Der Rechenaufwand für die digitale Strahlformung ist ein wesentlicher Faktor für die Gesamtleistungsaufnahme. Die Datenmenge, die der DSP verarbeiten muss, ist proportional zur Anzahl der Antennenelemente, zur Anzahl der Keulen und zur momentanen Bandbreite des Signals.
Bei einem großen Antennenarray, das mit Millimeterwellenfrequenzen arbeitet, wo die Signalbandbreite typischerweise groß ist, kann die Datenlast astronomisch hoch sein. Bei einem Antennenarray mit 1024 Antennenelementen, einer Bandbreite von 500 MHz und einem 8-Bit-ADU muss der DSP beispielsweise etwa 8 Tbit an Daten pro Sekunde und Keule verarbeiten. Das Bewegen und Verarbeiten dieser großen Datenmenge erfordert eine beträchtliche Menge an Energie. In Bezug auf die erforderliche Rechenleistung würde dies etwa 4 × 1012 Multiplikationsoperationen pro Sekunde für jeden Keule bedeuten. Für mehrere Keulen bei voller Signalbandbreite übersteigt die erforderliche Rechenleistung die Möglichkeiten heutiger DSPs.
In einer typischen Implementierung wird das Keulen-Bandbreiten-Produkt konstant gehalten, so dass mit zunehmender Anzahl von Keulen die Gesamtbandbreite auf die Keulen aufgeteilt wird. Die digitale Signalverarbeitung erfolgt häufig in verteilter Form, um die riesigen Datenmengen bewältigen zu können. Dies ist jedoch in der Regel mit verschiedenen Kompromissen bei der Flexibilität der Strahlformung, der Leistungsaufnahme, der Latenzzeit usw. verbunden. Neben der Verarbeitungsleistung nehmen auch die Hochgeschwindigkeits-Eingangs-/Ausgangsdatenschnittstellen der verschiedenen DSP-Blöcke einen erheblichen Teil der Gesamtleistung auf.
Hybride Strahlformung
Die hybride Strahlformung kombiniert, wie der Name schon sagt, analoge und digitale Strahlformungstechniken, um einen Mittelweg zu finden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Antennenarray in kleinere Subarrays zu unterteilen und innerhalb der Subarrays eine analoge Strahlformung durchzuführen. Wenn die Anzahl der Elemente im Subarray relativ klein ist, ist die resultierende Keule relativ breit, wie in Bild 3 dargestellt. Jedes Subarray kann als Super-Antennenelement mit einem grob gerichteten Keulenmuster betrachtet werden. Die digitale Strahlformung wird dann mit den Signalen der Subarrays durchgeführt, wodurch schmale Keulenbündel bei hoher Verstärkung erzeugt werden, die der vollen Apertur des Antennenarrays entsprechen.
Bei diesem Ansatz verringert sich die Anzahl der Mischer und ADUs sowie die Höhe der erforderlichen Rechenleistung um die Größe des Subarrays im Vergleich zur vollständig digitalen Strahlformung. Dies führt zu erheblichen Einsparungen bei Kosten und Energieaufnahme. Bei einem Antennenarray mit 32 × 32 Antennenelementen ergeben sich bei einer Subarray-Größe von 2 × 2 insgesamt 256 Subarrays mit einer Halbwertsbreite (Half Power Beam Width, HPBW) von 50,8° oder 0,61 sr (Steradiant).
Mit den Signalen aus den 256 Subarrays können mit DBF so viele Strahlen wie möglich erzeugt werden. Die HPBW, die der vollen Apertur entspricht, beträgt 3,2 ° oder 0,0024 sr. Innerhalb der Strahlen jedes Subarrays können dann etwa 254 einzelne digitale Keulen erzeugt werden, ohne dass es zu nennenswerten Überlappungen kommt. Eine Einschränkung dieser hybriden Strahlformung im Vergleich zur vollständigen digitalen Strahlformung (DBF) ist die Tatsache, dass alle digitalen Keulen innerhalb des Sichtfeldes des Subarray-Musters liegen werden. Die analoge Subarray-Keule kann natürlich auch abgelenkt werden, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt es durch die analoge Strahlbreite eine Einschränkung darin, bis wohin die äußerste Keule abgelenkt werden kann.
Da das Subarray-Muster in der Regel breit ist, kann dies für viele Anwendungen ein akzeptabler Kompromiss sein. Für andere Anwendungen, die mehr Flexibilität erfordern, können mehrere unabhängige analoge Keulen erstellt werden, um dieses Problem zu lösen. Dies erfordert zusätzliche VAP-Blöcke in der HF-Eingangsstufe, kann jedoch die Anzahl der ADUs und Mischer im Vergleich zu einem vollständigen DBF reduzieren. Wie in Bild 4 dargestellt, können für eine größere Abdeckung zwei analoge Keulen erstellt werden, wobei die Anzahl der Mischer, ADUs und der resultierenden Datenströme um den Faktor zwei reduziert wird.
Die hybride Strahlformung führt im Vergleich zur DBF auch zu einer Verringerung der Nebenkeulen. Wenn die digital gesteuerten Keulen von der Mitte der analog geformten Keule weggeführt werden, verursacht dies aufgrund der hybriden Natur der Phasensteuerung zu Phasenfehlern. Die Phasendifferenz zwischen den Antennenelementen innerhalb eines Subarrays wird durch die analoge Strahlsteuerung bestimmt und bleibt fest, unabhängig vom digitalen Abtastwinkel. Für einen gegebenen Abtastwinkel kann die digitale Steuerung die richtigen Phasen nur auf die Mitte der Subarrays anwenden. Der Phasenfehler nimmt zu, je weiter sich eine Keule von der Mitte zu den Rändern des Subarrays bewegt.
Dies führt zu einem periodischen Phasenfehler über das gesamte Antennenarray, der die Verstärkung der Keule verringert und Quasi-Nebenkeulen und Gitterkeulen erzeugt. Diese Effekte nehmen mit zunehmendem Abtastwinkel zu, was ein Nachteil der hybriden Strahlformung ist, im Vergleich zu rein analogen oder digitalen Schaltungen. Der Verschlechterung durch Nebenkeulen und Gitterkeulen kann aber reduziert werden, wenn es gelingt die Fehler aperiodisch zu machen, was durch die Mischung von unterschiedlicher Subarray-Größen, -Ausrichtungen und -Platzierung erreicht werden kann.
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- Vergleich der Energieeffizienz
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