Beamforming is a key technology in the 5G mmwave communication system, which can ensure the reliability and efficiency of communication by precisely controlling the signal direction of phased array antennas. Among the digital, analog, and hybrid beamforming techniques available, hybrid beamforming stands out as a balanced solution, offering optimal performance while maintaining cost-effectiveness for large-scale production. Digital attenuators and phase shifters are typically employed for collimated beam formation, but the quantization inherent to these components introduces errors that result in parasitic sidelobes, pointing inaccuracies, and gain loss. Various methods have been proposed to alleviate quantization errors, encompassing rounding-off to various dithering methods. This study compares different dithering methods against basic rounding techniques to identify the optimal dithering strategy for minimizing pointing errors. Dithering methods are applied solely to phase quantization, as amplitude quantization errors are too intricate to resolve through randomization alone. Unlike most studies that address single quantization errors, this research evaluates the cumulative effects of both amplitude and phase errors. Phase errors are shown to impact beam pointing and sidelobe levels significantly, whereas amplitude errors primarily influence sidelobe intensity. The initial phase of the study establishes optimized parameters for phase quantization using leading dithering methods. Subsequently, we employ advanced optimization algorithms—including Quantum Particle Swarm Optimization, Binary Particle Swarm Optimization, and the newly proposed Zebra Optimization Algorithm—to refine the amplitude quantization. This dual approach synergistically reduces the overall quantization impact on sidelobe levels, enhancing beamforming performance. The efficacy of these methods is validated through simulations with large linear phased array antennas and experimental trials using smaller arrays on an SDR-based mmWave test platform, aiming to minimize both sidelobe levels and pointing inaccuracies.

Beamforming är en nyckelteknologi i 5G mmWave-kommunikationssystem som kan säkerställa tillförlitligheten och effektiviteten i kommunikationen genom att exakt styra signalriktningen hos fasstyrda antenner. Bland de digitala, analoga och hybrida beamforming-tekniker som finns tillgängliga, utmärker sig hybrid beamforming som en balanserad lösning som erbjuder optimal prestanda samtidigt som den bibehåller kostnadseffektivitet för storskalig produktion. Digitala attenuatorer och fasskiftare används typiskt för kollimerad strålformning, men kvantiseringen som är inneboende i dessa komponenter introducerar fel som resulterar i parasitiska sidolober, pekningsfel och förstärkningsförlust. Olika metoder har föreslagits för att mildra kvantiseringsfel, från avrundning till olika dither-metoder. Denna studie jämför olika dither-metoder mot grundläggande avrundningstekniker för att identifiera den optimala dither-strategin för att minimera pekningsfel. Dither-metoder appliceras endast på fas-kvantisering, eftersom amplitudkvantiseringsfel är för komplicerade att lösa enbart genom randomisering. Till skillnad från de flesta studier som behandlar enskilda kvantiseringsfel, utvärderar denna forskning de kumulativa effekterna av både amplitud- och fasfel. Fasfel visade sig påverka strålningspekning och sidolobnivåer avsevärt, medan amplitudfel främst påverkar sidolobintensiteten. Den initiala fasen av studien fastställer optimerade parametrar för fas-kvantisering med ledande dither-metoder. Därefter använder vi avancerade optimeringsalgoritmer – inklusive Quantum Particle Swarm Optimization, Binary Particle Swarm Optimization och den nyligen föreslagna Zebra Optimization Algorithm – för att förfina amplitudkvantiseringen. Denna dubbla strategi minskar synergistiskt den totala kvantiseringspåverkan på sidolobnivåer och förbättrar strålformningens prestanda. Metodernas effektivitet valideras genom simuleringar med stora linjära fasstyrda antenner och experimentella försök med mindre antenner på en SDR-baserad mmWave-testplattform, med målet att minimera både sidolobnivåer och pekningsfel.