在使用MIMO功能的RF和傳感系統(tǒng)中，關(guān)于虛擬天線的設(shè)計(jì)和布局存在一些重要的設(shè)計(jì)約束。在這些系統(tǒng)中，由于需要更精細(xì)的分辨率和更高的發(fā)射/接收增益，趨勢(shì)是將更多的天線封裝到陣列中，以實(shí)現(xiàn)波束成形和接收低電平信號(hào)。這種趨勢(shì)是有原因的，它與天線陣列系統(tǒng)中的一個(gè)重要概念相關(guān)。

當(dāng)多個(gè)發(fā)射和接收天線位于同一位置時(shí)，它們可以一起作用以形成所謂的虛擬天線陣列。虛擬陣列不是一組真實(shí)的天線，而是描述天線陣列行為的數(shù)學(xué)等效對(duì)象。構(gòu)建支持MIMO虛擬陣列功能（包括空間復(fù)用）的天線陣列時(shí)，一個(gè)重要環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)虛擬陣列中虛擬天線的布局。

在PCB上將天線正確組合在一起，即可設(shè)計(jì)虛擬陣列，使真實(shí)陣列具有更高的發(fā)射和接收增益。這通常在物理層面上較大的無(wú)線電系統(tǒng)中完成，但也可以在涉及在PCB上放置虛擬天線元素的系統(tǒng)中完成。只要天線的位置和布線正確，您就可以從在MIMO模式下運(yùn)行的天線陣列獲得最大可能的增益。在本文中，我們將討論如何計(jì)算射頻（RF）性能。

什么是虛擬陣列？

所有協(xié)同工作的天線系統(tǒng)，無(wú)論是用于波束成形還是空間復(fù)用，都表現(xiàn)得像是一個(gè)等效的天線陣列，這被稱(chēng)為虛擬RF陣列。由此得出以下定義：

當(dāng)陣列中的一組發(fā)射與接收天線一起工作來(lái)發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)，它們的作用就像一個(gè)等效的天線陣列，稱(chēng)為虛擬陣列。當(dāng)虛擬陣列僅處于發(fā)射或接收模式時(shí)，實(shí)際的天線在發(fā)射/接收中的增益等于虛擬陣列的增益。

虛擬陣列是一個(gè)虛構(gòu)的實(shí)體，但它有助于我們直觀地理解電子轉(zhuǎn)向范圍（方位角和仰角）和陣列對(duì)角分辨率計(jì)算器的影響。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)你有更多的元素一起工作時(shí)，在任何類(lèi)型的波束形成模式下，發(fā)射的光束都將具有更高的方向增益和更好的角分辨率。為了理解虛擬陣列，我們需要計(jì)算兩個(gè)量：

虛擬陣列中虛擬元素的數(shù)量

虛擬陣列中元素的位置

虛擬天線元素的數(shù)量和分辨率

具有NTX發(fā)射元素和NRX接收元素的平面虛擬天線陣列中的虛擬元素?cái)?shù)量為：

這個(gè)數(shù)字很重要，因?yàn)樗c陣列的最大分辨率有關(guān)。在雷達(dá)系統(tǒng)中，速度和距離分辨率受角分辨率的影響，人們付出了巨大的努力來(lái)將分辨率提高到可以用雷達(dá)形成圖像的程度。傳統(tǒng)的3-TX/4-RX串聯(lián)饋電貼片天線陣列分辨率不夠高，無(wú)法提供雷達(dá)成像所需的分辨率，因此重點(diǎn)是增加這些系統(tǒng)中的天線數(shù)量。

當(dāng)作為MIMO虛擬陣列運(yùn)行時(shí)，整個(gè)陣列的角度分辨率與單個(gè)天線的角度分辨率有如下關(guān)系：

這應(yīng)該說(shuō)明在更小的器件中增加虛擬天線陣列增益計(jì)算器大小的驅(qū)動(dòng)力：更多的陣列意味著更好的分辨率，從而產(chǎn)生更高的增益，因此系統(tǒng)能以更低的功率和/或更大的通信范圍運(yùn)行。

同樣，掃描范圍將受到虛擬陣列中虛擬元素之間等效距離的限制。在稀疏陣列中，傳統(tǒng)的衍射受限發(fā)射方向圖不一定成立，虛擬陣列也可能是稀疏的，分辨率將不符合上面顯示的等式（這應(yīng)該強(qiáng)調(diào)對(duì)“共定位”進(jìn)行嚴(yán)格定義的必要性）。

陣列增益

下面的示例仿真結(jié)果顯示了當(dāng)陣列中的天線數(shù)量顯著增加時(shí)發(fā)射方向圖會(huì)發(fā)生什么。第一行使用2個(gè)發(fā)射/3個(gè)接收方形貼片天線，該陣列的增益為15.7dBc。該系統(tǒng)共同充當(dāng)一個(gè)等效陣列，該陣列正在傳輸或接收（NTX x NRX）=6個(gè)總元素。現(xiàn)在，當(dāng)我們將陣列大小增加到9個(gè)發(fā)射/12個(gè)具有相同大小和形狀的接收貼片天線時(shí)，我們擁有108個(gè)虛擬元件，提供25.4dBc的總增益。

頂行：具有2根TX/3根RX天線的陣列的輻射方向圖。底行：具有9根TX/12根RX天線的陣列的輻射方向圖。紅色曲線：?jiǎn)蝹€(gè)貼片天線的輻射方向圖。綠色曲線：整個(gè)陣列的輻射方向圖。在HFSS中進(jìn)行的仿真。

查看右下角的圖表；前后方向都有一個(gè)巨大的峰值，增益約為25dBi！同時(shí)，該主波束區(qū)域周?chē)臇虐晔艿絿?yán)重抑制，增益約為-25dBi。定向光束與所有其他方向發(fā)出的輻射之間存在50dB的差異！在所有實(shí)踐中，這純粹是一根單向天線，但它完全由方位角各向同性發(fā)射器構(gòu)成。如果這不能說(shuō)明波疊加的力量，那我就不知道什么能說(shuō)明了。

增益的變化與我們向更多天線提供額外功率的事實(shí)無(wú)關(guān)。事實(shí)上，虛擬天線增益與功率輸出或輻射效率完全沒(méi)有關(guān)系。在這種情況下，天線增益指的是系統(tǒng)的角度分辨率計(jì)算器，它由虛擬天線陣列發(fā)射的電磁波疊加而成。在天線數(shù)量較多的情況下，角度分辨率小于1°。如果您可以開(kāi)發(fā)一個(gè)掃描分辨率相對(duì)較小的系統(tǒng)，那么現(xiàn)在就可以創(chuàng)建一個(gè)適用于挑戰(zhàn)商用激光雷達(dá)系統(tǒng)能力的高分辨率成像的雷達(dá)系統(tǒng)。

虛擬天線元素的位置

當(dāng)我們計(jì)算虛擬陣列時(shí)，我們實(shí)際上是在計(jì)算虛擬天線元素的位置。使用構(gòu)成RF陣列的離散元素之間的卷積運(yùn)算計(jì)算虛擬天線元素的位置。這種卷積的一個(gè)特性是，可以從許多可能的非退化真實(shí)天線陣列中計(jì)算出單一的虛擬陣列。

反之則不然。對(duì)于任何真實(shí)的天線陣列，它只會(huì)有一個(gè)可能的虛擬陣列。

首先，在為MIMO操作中的波束成形構(gòu)建天線陣列時(shí)，需要指定各個(gè)天線位置。波束成形陣列中的天線通常間隔為半波長(zhǎng)的倍數(shù)。

下方示例說(shuō)明了一種可能的天線排列方式，其間距為λ和λ/2。

虛擬陣列計(jì)算

在此陣列中，分辨率以方位角（水平掃描）和仰角（垂直掃描）為單位。在這種情況下，因?yàn)槲覀冊(cè)诜轿唤欠较蛏嫌懈嗟脑兀耘c仰角相比，陣列在沿方位角掃描時(shí)將具有更高的分辨率。立體角分辨率可以通過(guò)從天線輻射方向圖中提取的3dB限制加以驗(yàn)證。

當(dāng)虛擬元素以這種方式排列時(shí)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)程找到它們。如果您不需要計(jì)算2D空間中兩組離散元素之間卷積，則可以通過(guò)查看RX和TX元素之間的交點(diǎn)來(lái)定位虛擬元素的放置位置。無(wú)論哪里有交叉點(diǎn)，您都會(huì)擁有一個(gè)虛擬元素；您可以在下面看到這個(gè)元素的圖案。

此陣列中的灰色元素是虛擬天線元素

在這種類(lèi)型的RX和TX天線的實(shí)際布置中，卷積恰好減少到真實(shí)陣列中每個(gè)天線的笛卡爾坐標(biāo)之間的交集。商業(yè)系統(tǒng)中的天線陣列增益計(jì)算器并不像上面介紹的陣列那么簡(jiǎn)單。事實(shí)上，在上面的陣列中，您只會(huì)在一個(gè)方向上獲得有用的TX分辨率。

最好是由真實(shí)發(fā)射器的方形布置形成的虛擬天線陣列。這將在方位角和仰角方向上為您提供非常高的分辨率。 更復(fù)雜的RX和TX天線布置可能具有非常奇怪的虛擬陣列，它們不是簡(jiǎn)單的交叉點(diǎn)，因此僅通過(guò)查看陣列更難計(jì)算它們。計(jì)算這兩組離散發(fā)射器之間卷積的一種工具是MATLAB，您還可閱讀本文末尾的部分。

PCB布局和天線布線

如果您查看一些實(shí)現(xiàn)天線陣列的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如商用雷達(dá)模塊或半導(dǎo)體供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)，就會(huì)看到幾個(gè)重要特征：

天線共置于同一層上

如果系統(tǒng)中有許多數(shù)字元件，則天線和數(shù)字元件可以放置在電路板的相對(duì)兩側(cè)

陣列中的天線可能聚集或散布在PCB的邊緣

最后一點(diǎn)的原因是天線和收發(fā)器之間的布局和布線之一。如果模擬部分和天線位于電路板的同一側(cè)，則必須將收發(fā)器放置在中心位置，這樣您就可以在不使系統(tǒng)過(guò)大的情況下布線到所有天線。

請(qǐng)考慮下方顯示的PCB布局。此示例顯示了如何圍繞收發(fā)器元素構(gòu)建天線陣列。收發(fā)器聚集在電路板的中心周?chē)鼈兊?a target="_blank">接口暴露在電路板邊緣的天線元素上。

簡(jiǎn)單的概念顯示了收發(fā)器的天線聚集在電路板的邊緣。如果使用較大的多貼片天線（如串聯(lián)饋電貼片天線），所有天線將沿著頂部和底部邊緣排成一排。

上圖顯示了1個(gè)收發(fā)器，但這會(huì)立即擴(kuò)展到任何其他數(shù)量的收發(fā)器，只要參考振蕩器可以同相饋送到所有收發(fā)器即可（這可能非常困難）。在這種情況下，虛擬陣列與收發(fā)器位于同一區(qū)域，虛擬元素覆蓋在元件上。這是完全可以接受的；虛擬元素是虛構(gòu)的，它們的位置很可能與真實(shí)元件的位置重合。 另一種選擇是將收發(fā)器聚集在電路板的底部，并將天線放在頂部。

然后，饋線可以在任一表面層上布線（假設(shè)對(duì)稱(chēng)堆疊）。這是我們過(guò)去采用的一種方法，但要正確使用，需要通過(guò)受控阻抗過(guò)孔進(jìn)行布線。當(dāng)您進(jìn)入更高的毫米波頻率時(shí)，這很難做到。一旦達(dá)到遠(yuǎn)程雷達(dá)頻率，就會(huì)開(kāi)始觸及傳統(tǒng)制造工藝的極限。

隨著添加的元素越來(lái)越多，您最終需要將一些控制器或收發(fā)器放在背面層，并通過(guò)過(guò)孔將其布線到天線。

嘗試構(gòu)建越來(lái)越大的陣列時(shí)，您可能別無(wú)選擇，只能將收發(fā)器放置在PCB的背面，以使電路板保持合理的尺寸。另一種選擇是不斷增加電路板的尺寸，但這很快就會(huì)變得不切實(shí)際。

不僅僅是天線陣列

實(shí)現(xiàn)MIMO功能的系統(tǒng)不僅僅是天線陣列和布線策略。盡管大部分操作發(fā)生在嵌入式應(yīng)用程序中，特別是在執(zhí)行大量DSP任務(wù)時(shí)，但如果天線陣列未在PCB中正確布置和布線，這些系統(tǒng)將根本無(wú)法工作。構(gòu)建虛擬陣列的最佳方法是將其從DXF格式的繪圖工具中導(dǎo)出，然后它可以用于其他分析程序和PCB CAD工具。 在Altium Designer中，您可以將帶有陣列設(shè)計(jì)的DXF導(dǎo)入銅層以定義天線元素，然后使用饋線布線到這些元素中。另一種選擇是為您的定制天線創(chuàng)建一個(gè)PCB封裝，然后將一個(gè)元件放入您的設(shè)計(jì)中。然后，您可以將其連接到原理圖中，并像往常一樣將其導(dǎo)入PCB。 要更深入地了解虛擬陣列背后的數(shù)學(xué)原理，請(qǐng)查看以下IEEE論文。

審核編輯：劉清