Multibeam-Antennenarrays
Quantitative Analyse des Energieaufwands für die Strahlformung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Vergleich der Energieeffizienz
In diesem Abschnitt wird die Energieeffizienz von analoger, digitaler und hybrider Strahlformung aus der Perspektive eines phasengesteuerten Empfangsarrays verglichen. Die Modelle für die Leistungsaufnahme von analoger, digitaler und hybrider Strahlformung sind in den Gleichungen 2, 3 bzw. 4 angegeben.
Die Bedeutung der verschiedenen Symbole und ihre angenommenen Werte für die nachfolgende Analyse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
| Symbol | Bedeutung | Wert | Referenz |
|---|---|---|---|
| PLNA | LNA-Leistungsaufnahme | 15 mW/Stufe | [1] |
| PVerlustkompensation | Leistung zur Kompensation verschiedener Verluste in den HF/LO-Pfaden | 1,5 mW/dB | [1] |
| PMischer | Leistungsaufnahme von Mischer und LO-Puffer | 40 mW/Stufe | [2] |
| PADU | ADU-Leistungsaufnahme (8-bit, 1 GSPS) | 5 mW/Stufe | [3, 4] |
| ibit | Anzahl ADU-Bits | 8 | |
| PDSP-Berechniung | DSP-Leistungsaufnahme zur Berechnung der Strahlformung | 1,25 mW/GMAC | [5] |
| PSerdes | DSP-Leistungsaufnahme der E/As | 10 mW/Gbps | [6] |
| PVAP | Verlust durch passive Verstärkung und Phasenregelung | 10 dB | [7] |
| Psplit | Verlust durch Splitter für ABF | 4 dB | |
| Pkomb | Verlust durch Kombinierer für ABF | 1 dB | |
| PPfad | HF/LO-Routingverlust pro Längeneinheit | 0,05 dB/mm | [8] |
| D | Länge/Breite des Antennenarrays | 155 mm | |
| Ds | Länge/Breite des Subarrays | 15 mm | |
| Dx | Zusätzlicher Längenfaktor für das Routing und die Kombination von HF-Signalen | 0,25 | |
| m | Anzahl der Elemente | 1024 | |
| ms | Anzahl der Elemente des Subarrays | 16 | |
| n | Anzahl der Keulen | – | |
| ns | Anzahl der analogen Keulen bei hybrider Strahlformung | 4 | |
| bmomentan | Momentane Bandbreite des Signals | 500 MHz | |
| DSPDurchsatz | Maximaler Durchsatz des DSP für DBF | 8 TSPS |
Tabelle. Symbole, ihre Bedeutung, angenommene Werte und einschlägige Referenzen. (Quelle: Analog Devices)
Einige wichtige Punkte in Bezug auf das Leistungsaufnahme-Modell sind:
- Es wird angenommen, dass die HF-Signalleistung am Mischer für alle drei Beamforming-Schaltungen gleich ist.
- In einigen Veröffentlichungen wird argumentiert, dass bei DBF die erforderliche Anzahl von Bits im Vergleich zu analogem Beamforming reduziert werden kann, da die Auswirkung des Quantisierungsrauschens der ADUs auf den SNR durch den Array-Faktor verringert wird. Allerdings müssen die ADUs bei DBF auch einen höheren Dynamikbereich aufweisen, da sie nicht die Vorteile der räumlichen Filterung haben und alle im Sichtfeld des Keulenmusters der einzelnen Elemente vorhandenen Störer verarbeiten müssen. In Anbetracht dessen wird in diesem Modell davon ausgegangen, dass die Anzahl der Bits des ADU für alle Fälle gleich ist.
- Bei DBF wird das Strahl-Bandbreiten-Produkt durch die Verarbeitungskapazität des DSP begrenzt, was durch die variable DSPTP berücksichtigt wird. Im Hybridfall wurde die maximale Verarbeitungskapazität proportional zur Verringerung der Stromaufnahme reduziert.
- Die DSP-Leistungsaufnahme für DBF besteht aus zwei Komponenten: Rechenleistung und Leistung der E/As. Jede komplexe Multiplikation erfordert vier reale Multiplikations- und Akkumulationsoperationen (MAC), und auf der Grundlage von [5] wurde die Stromaufnahme für die MAC-Operationen auf etwa 1,25 mW pro GMAC berechnet. Die E/As sind in diesem Fall für den Großteil der DSP-Leistungsaufnahme verantwortlich, die auf der Grundlage von [6] auf 10 mW/Gbps geschätzt wurde. Bei komplexeren Beamforming-Ansätzen, die intensivere Berechnungen erfordern, ist das Leistungsverhältnis weniger schief, aber die DSP-Gesamtleistungsaufnahme steigt. Außerdem geht die E/A-Leistungsaufnahme in diesem Modell von einer minimalen Datenübertragung aus. Je nach DBF-Schaltung kann die Stromaufnahme in den E/As höher sein.
- Die Leistungsaufnahme für die ADUs und die DSP-Rechenleistung hängt exponentiell von der Anzahl der Bits ab. Durch eine Verringerung der Anzahl der Bits kann die Leistungsaufnahme somit erheblich reduziert werden. Andererseits hängt die Leistungsaufnahme für die DSP-E/A, die den größten Beitrag leistet, weniger drastisch von der Anzahl der Bits ab.
- Die Leitungsverluste (PPfad) wurden durch Kombination der Verluste von GCPW-Übertragungsleitungen auf Silizium-ICs und verlustarmen PCBs berechnet. Für die On-Chip-Übertragungsleitungen wurde ein Verlust von 0,4 dB/mm und für die Leiterbahnen auf der Leiterplatte [8] ein Verlust von 0,025 dB/mm angenommen. Außerdem wurde davon ausgegangen, dass sich 5 % der Leitungen auf dem Chip und der Rest auf der Leiterplatte befinden werden. Für die analoge Strahlformung wurde der für die HF-Kombination erforderliche Leitungsverlust berücksichtigt, wogegen für die digitale Strahlformung der Verlust des LO-Verteilungsnetzes einbezogen wurde.
- Für das Hybridmodell wird angenommen, dass jede Keule der vollen Apertur des Arrays entspricht.
Die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme von der Anzahl der Keulen ist in Bild 5 dargestellt. Im analogen Fall erfordert die Änderung der Anzahl der Keulen eine Änderung des Entwurfs, bei DBF kann dagegen die Anzahl der Keulen bei gleichem Entwurf im Betrieb (on-the-fly) geändert werden. Für die Hybrid-Schaltung wird ein einziger Entwurf mit einer festen Anzahl von analogen Keulen (ns) betrachtet. Es wird auch angenommen, dass die Verstärker in den nicht genutzten Pfaden abgeschaltet werden, wenn die Anzahl der Keulen kleiner als ns ist.
Bei einer einzelnen Keule braucht die digitale Schaltung viel mehr Strom, da zusätzliche Mischer, LO-Verstärker und ADUs erforderlich sind. Die Rate, mit der die Leistungsaufnahme ansteigt, hängt beim digitalen Beamforming von der erhöhten Gesamtdatenrate ab und beim analogen Beamforming von der Leistung, die erforderlich ist, um die Verluste durch Aufteilung und zusätzliche VAP-Blöcke zu kompensieren.
Aufgrund der oben erwähnten Komplexität der Aufteilung und Kombination von Netzwerken ist es nicht praktikabel, eine große Anzahl von Keulen mit analoger Strahlformung zu realisieren, und die gepunktete Linie in Bild 5 für mehr als vier Keulen spiegelt diese Tatsache wider. Sobald die maximale DSP-Kapazität erreicht ist, steigt die Stromaufnahme bei DBF nicht mehr an. Jenseits dieses Punktes verringert sich die Bandbreite pro Keule mit zunehmender Anzahl von Keulen. DBF ist in Bezug auf die Stromaufnahme gleichauf mit ABF und braucht bei einer großen Anzahl von Keulen weniger Strom. Der hybride Ansatz reduziert die Leistungsaufnahme und ihren Anstieg im Vergleich zu DBF erheblich und erreicht den Break-even-Punkt viel eher.
Die Energieeffizienz der Strahlformung für die drei Fälle wird in Bild 6 verglichen, das die Leistungsaufnahme pro Keulen-Bandbreiten-Produkt zeigt. In diesem Fall bleibt die analoge Strahlformung durchweg effizienter. Der hybride Ansatz beginnt irgendwo zwischen den beiden Extremen und wird bei einer größeren Anzahl von Keulen mit der analogen Strahlformung vergleichbar.
Für Sender-Antennenarrays gelten andere Bedingungen
Die in diesem Artikel gezeigten Vergleiche und Stromaufnahmemodelle gelten nur für ein Empfänger-Antennenarray (Rx). Für den Sendefall ändern sich einige der zugrundeliegenden Annahmen, und der Nachteil in der Energieaufnahme für eine vollständige digitale Strahlformung ist wahrscheinlich weniger gravierend. Selbst im Empfangsfall hängt der Unterschied zwischen den drei Schaltungsarten stark von den in den Gleichungen 2 bis 4 dargestellten Parametern ab.
Bei anderen als den in Tabelle angegebenen Parameterwerten wird sich der Unterschied zwischen den Diagrammen ändern. Es kann jedoch mit Sicherheit gesagt werden, dass ein hybrider Ansatz für viele Anwendungen erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht und gleichzeitig die meisten Vorteile des digitalen Beamforming beibehält. Wie bereits erwähnt, hat der hybride Ansatz auch Nachteile, aber diese sind die Energieeinsparungen in vielen Applikationen wohl wert.
Literatur
[1] Li, C.; et al.: LNA Design with CMOS SOI Process-l.4dB NF K/Ka band LNA. IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, 10.–15. Juni 2018, DOI: 10.1109/MWSYM.2018.8439132.
[2] Wilson, C. und Floyd, B.: 20–30 GHz Mixer-First Receiver in 45-nm SOI CMOS. IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 22.–24. Mai 2016, DOI: 10.1109/RFIC.2016.7508323.
[3] Murmann, B.: ADC Performance Survey 1997-2022. ISSCC & VLSI Symposium, Excel-Tabelle, Rev. 20220719, https://web.stanford.edu/~murmann/adcsurvey.html.
[4] Baert, M. und Dehaene, W.: 20.1 A 5GS/s 7.2 ENOB Time-Interleaved VCO-Based ADC Achieving 30.5fJ/conv-step. IEEE International Solid-State Circuits Conference – (ISSCC), 17.–21. Februar 2019, DOI: 10.1109/ISSCC.2019.8662412.
[5] Degnan, B.; Marr, B. und Hasler, J.: Assessing Trends in Performance per Watt for Signal Processing Applications. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2016, H. 1, S. 58–66.
[6] Frans, Y.; et al.: A 56-Gb/s PAM4 Wireline Transceiver Using a 32-Way Time-Interleaved SAR ADC in 16-nm FinFET. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2017, H. 4, S. 1101–1110.
[7] Kodak, U. und Rebeiz, G. M.: Bi-directional Flip-Chip 28 GHz Phased-Array Core-Chip in 45nm CMOS SOI for High-Efficiency High-Linearity 5G Systems. IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 4.–6. Juni 2017, DOI: 10.1109/RFIC.2017.7969017.
[8] Coonrod, J.: PCB Design and Fabrication Concerns for Millimeter-Wave Circuits. Printed Circuit Design & Fab, 2021, H. 3, S. 28–35, Rogers Corp., https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/articles/english/advanced-connectivity-solutions/pcb-design-and-fabrication-concerns-for-millimeter-wave-circuits.pdf.
Der Autor
Prabir K. Saha
promovierte 2013 in Elektrotechnik am Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA. Seine Forschungsinteressen umfassen die Entwicklung von HF/Mikrowellen-, analogen und digital unterstützten adaptiven integrierten Schaltungen. Seit 2013 hat er bei Analog Devices an einer Vielzahl von Mikrowellen- und Millimeterwellen-ICs gearbeitet.
Derzeit ist er an der Entwicklung hochintegrierter Schaltungen mit siliziumbasierten Prozessen für Phased-Array-Systeme der nächsten Generation beteiligt, die einen breiten Einsatz von Beamformern ermöglichen.
prabir.saha@analog.com
- Quantitative Analyse des Energieaufwands für die Strahlformung
- Vergleich der Energieeffizienz
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Leiterplatten-Antennenarrays
Zuverlässige Bestückung von ICs in LGA-Gehäusen
Antennenarrays – Teil 3
Nebenkeulen und graduelle Gewichtung
Antennenarrays – Teil 2
Strahlungsdiagramme: Gitterkeulen und Beam Squint
Antennenarrays – Teil 1
Strahleigenschaften von linearen Antennenarrays und Arrayfaktor
