A CMOS Dual-Polarized Phased-Array Beamformer Utilizing Cross-Polarization Leakage Cancellation for 5G MIMO Systems
A CMOS Dual-Polarized Phased-Array Beamformer Utilizing Cross-Polarization Leakage Cancellation for 5G MIMO Systems
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针对 5G MIMO 系统利用交叉极化泄漏消除的 CMOS 双极化相控阵波束形成器
DOI：
10.1109/jssc.2020.3045258
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发表时间：
2021
影响因子：
5.4
通讯作者：
Pang Jian et. al
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Furukawa Ryudai;Tanaka Yasunori;Nakano Yusuke;Akashi Keita;Ishijima Tatsuo;Watanabe Shu;Sueyasu Shiori;Nakamura Keitaro;Pang Jian et. al
本文介绍了一种支持第五代（5G）双极化多输入多输出（MIMO）（DP-MIMO）操作的低功耗、低成本CMOS 28 GHz相控阵波束形成器。为了改善交叉极化（cross-pol.）由于天线和传播而降低的隔离，实现了一种功率有效的模拟辅助交叉极化泄漏消除技术。在高精度抵消之后，发射器阵列到接收器阵列保持沿着大于41.3 dB的交叉极化隔离。在这项工作中的元素波束形成器采用了紧凑的中和双向架构，具有最小的制造成本。建议的波束形成器实现了22%的每路径TX模式的效率和4.9 dB RX模式的噪声系数。波束形成器所需的片上面积仅为0.48 mm 2。在空中测量中，64单元双极化相控阵模块实现了52.2 dBm的饱和有效各向同性辐射功率（EIRP）。符合5G标准的OFDMA模式调制信号高达256-QAM，可由64单元模块支持。在交叉极化泄漏抵消技术的帮助下，所提出的阵列模块即使在严重的极化耦合和旋转条件下也实现了改进的DP-MIMO EVM。测量的DP-MIMO EVM在64-QAM和256-QAM中均为3.4%。每个波束形成器路径的消耗功率在TX模式下为186 mW，在RX模式下为88 mW。
This article introduces a power-efficient and low-cost CMOS 28-GHz phased-array beamformer supporting fifth-generation (5G) dual-polarized multiple-in-multiple-out (MIMO) (DP-MIMO) operation. To improve the cross-polarization (cross-pol.) isolation degraded by the antennas and propagation, a power-efficient analog-assisted cross-pol. leakage cancellation technique is implemented. After the high-accuracy cancellation, more than 41.3-dB cross-pol. isolation is maintained along with the transmitter array to the receiver array. The element-beamformer in this work adopts the compact neutralized bi-directional architecture featuring a minimized manufacturing cost. The proposed beamformer achieves 22% per path TX-mode efficiency and a 4.9-dB RX-mode noise figure. The required on-chip area for the beamformer is only 0.48 mm2. In over-the-air measurement, a 64-element dual-polarized phased-array module achieves 52.2-dBm saturated effective isotropic radiated power (EIRP). The 5G standard-compliant OFDMA-mode modulated signals of up to 256-QAM could be supported by the 64-element modules. With the help of the cross-pol. leakage cancellation technique, the proposed array module realizes improved DP-MIMO EVMs even under severe polarization coupling and rotation conditions. The measured DP-MIMO EVMs are 3.4% in both 64-QAM and 256-QAM. The consumed power per beamformer path is 186 mW in the TX mode and 88 mW in the RX mode.
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