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)計和布局存在一些重要的設(shè)計約束。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，趨勢是將更多的天線封裝到陣列中，以實現(xiàn)波束成形和接收低電平信號。這種趨勢是有原因的，它與天線陣列系統(tǒng)中的一個重要概念相關(guān)。

當(dāng)多個發(fā)射和接收天線位于同一位置時，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的天線，而是描述天線陣列行為的數(shù)學(xué)等效對象。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，一個重要環(huán)節(jié)是設(shè)計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)計虛擬陣列，使真實陣列具有更高的發(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)，無論是用于波束成形還是空間復(fù)用，都表現(xiàn)得像是一個等效的天線陣列，這被稱為虛擬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發(fā)射和接收信號時，它們的作用就像一個等效的天線陣列，稱為虛擬陣列。當(dāng)虛擬陣列僅處于發(fā)射或接收模式時，實際的天線在發(fā)射/接收中的增益等于虛擬陣列的增益。

虛擬陣列是一個虛構(gòu)的實體，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）和陣列對角分辨率計算器的影響。簡而言之，當(dāng)你有更多的元素一起工作時，在任何類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，我們需要計算兩個量：

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數(shù)量為：

這個數(shù)字很重要，因為它與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，無法提供雷達(dá)成像所需的分辨率，因此重點是增加這些系統(tǒng)中的天線數(shù)量。

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

這應(yīng)該說明在更小的器件中增加虛擬天線陣列增益計算器大小的驅(qū)動力：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“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)量顯著增加時發(fā)射方向圖會發(fā)生什么。第一行使用2個發(fā)射/3個接收方形貼片天線，該陣列的增益為15.7dBc。該系統(tǒng)共同充當(dāng)一個等效陣列，該陣列正在傳輸或接收（NTX x NRX）=6個總元素。現(xiàn)在，當(dāng)我們將陣列大小增加到9個發(fā)射/12個具有相同大小和形狀的接收貼片天線時，我們擁有108個虛擬元件，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：單個貼片天線的輻射方向圖。綠色曲線：整個陣列的輻射方向圖。在HFSS中進(jìn)行的仿真。

查看右下角的圖表；前后方向都有一個巨大的峰值，增益約為25dBi！同時，該主波束區(qū)域周圍的柵瓣受到嚴(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。如果這不能說明波疊加的力量，那我就不知道什么能說明了。

增益的變化與我們向更多天線提供額外功率的事實無關(guān)。事實上，虛擬天線增益與功率輸出或輻射效率完全沒有關(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°。如果您可以開發(fā)一個掃描分辨率相對較小的系統(tǒng)，那么現(xiàn)在就可以創(chuàng)建一個適用于挑戰(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)我們計算虛擬陣列時，我們實際上是在計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算計算虛擬天線元素的位置。這種卷積的一個特性是，可以從許多可能的非退化真實天線陣列中計算出單一的虛擬陣列。

反之則不然。對于任何真實的天線陣列，它只會有一個可能的虛擬陣列。

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

下方示例說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，因為我們在方位角方向上有更多的元素，所以與仰角相比，陣列在沿方位角掃描時將具有更高的分辨率。立體角分辨率可以通過從天線輻射方向圖中提取的3dB限制加以驗證。

當(dāng)虛擬元素以這種方式排列時，可以通過簡單的過程找到它們。如果您不需要計算2D空間中兩組離散元素之間卷積，則可以通過查看RX和TX元素之間的交點來定位虛擬元素的放置位置。無論哪里有交叉點，您都會擁有一個虛擬元素；您可以在下面看到這個元素的圖案。

此陣列中的灰色元素是虛擬天線元素

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

最好是由真實發(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，它們不是簡單的交叉點，因此僅通過查看陣列更難計算它們。計算這兩組離散發(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

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

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)過大的情況下布線到所有天線。

請考慮下方顯示的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圍，它們的接口暴露在電路板邊緣的天線元素上。

簡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個收發(fā)器，但這會立即擴(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)對稱堆疊）。這是我們過去采用的一種方法，但要正確使用，需要通過受控阻抗過孔進(jìn)行布線。當(dāng)您進(jìn)入更高的毫米波頻率時，這很難做到。一旦達(dá)到遠(yuǎn)程雷達(dá)頻率，就會開始觸及傳統(tǒng)制造工藝的極限。

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

嘗試構(gòu)建越來越大的陣列時，您可能別無選擇，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，但這很快就會變得不切實際。

不僅僅是天線陣列

實現(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，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PCB封裝，然后將一個元件放入您的設(shè)計中。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，請查看以下IEEE論文。

審核編輯：劉清