关于波束成形和波束控制天线的相关基础知识

天线波束成形和天线波束控制是越来越多地用于蜂窝或移动电信等系统的技术，尤其是 5G 以及许多其他无线通信。据IC先生了解，随着对更快的数据速率、更高密度的移动设备等的需求不断增长，天线技术正在与所使用的其他技术一起发展。

天线波束成形允许由多个独立天线组成的天线系统通过改变应用于阵列中各个天线元件的信号的相位和幅度来改变整个波束的方向。

提高性能所需的技术可以利用天线波束形成技术，使各个用户能够将单独的波束指向他们。通过这种方式，他们接收到的信号得到了改善，而其他拥有自己波束的用户则受到了较低水平的干扰。

波束成形和波束控制之间的区别

在研究此类天线技术时，会提到两个术语。尽管有着千丝万缕的联系，但该技术有两个不同的方面，用两个不同的术语来描述：

波束形成： 该术语指的是来自一组相控阵的能量束的基本形成。使用相控天线阵列，可以根据阵列中每个天线元件的天线间距和信号相位来控制来自多个天线的信号波束的形状和方向。

因此，使用干涉和构建模式的技术创建波束被称为波束成形。

波束控制： 波束控制将波束形成的概念更进一步。这是一种可以通过实时改变信号相位而无需改变天线元件或其他硬件来动态改变波束方向图的方法。

从 5G 到 Wi-Fi，许多情况下都使用波束控制，将辐射或接收波束聚焦在特定站点上，为该站点、EUE 等提供最大增益，并减少对其他站点的干扰。

波束成形和波束控制是两种相互关联的技术，但两者都被纳入了与 5G 等许多新通信技术一起使用的天线类型。

天线波束形成：基础知识

波束成形和波束控制天线使用相控阵天线技术作为其运行的基础。

相控阵天线有多种类型，但通常波束控制天线会使用许多小元件，因为使用的频率往往相对较高，比如 2 - 5 GHz 或更高的区域。

对于许多类型的相控阵天线，从各个元件发出的信号的相位是固定的，通常由用于将元件连接到信号源的馈线长度决定。这将给出与天线的轴或平面成直角的信号。

然而，通过控制和改变天线信号的相位，可以提供不同的方向图。可以改变天线的方向图。方向图可以变化，以便天线的主辐射束指向接收器。以这种方式，可以尽可能有效地使用辐射功率。

波束控制天线中的各种元件彼此等距间隔是正常的。如果不同元件之间没有相位差，则信号将组合在一起并在垂直于元件平面的方向上相互增强。

然而，如果施加相位差，使每个天线元件与相邻天线元件具有相等的相移，则信号将以与垂线不同的角度建设性地组合，从而产生与垂线成一定角度的波前。

为了在波束控制天线中实现这一点，每个天线元件都单独馈送要传输的信号。但是，每个天线馈电都受到控制，因此可以控制每个元件的相位和振幅。这会在波前产生所需的建设性和破坏性干涉模式。

波束成形天线阵列可以通过使用多个紧密间隔的天线元件来创建。如果它们等间隔距离“d”，那么我们可以看到如下所示的性能。

其中，Ψ = 两个相邻光束之间的相位差。

如果阵列中的所有元件都是各向同性的，即它们在所有方向上均等地辐射，它们都具有相同的增益，并且由相同相位和功率的信号驱动，则合成光束将直接指向平面之外它们已安装。

也可以逐渐改变阵列天线元件之间的相位以形成不同角度的波束。元件之间的相位差决定了光束的角度。

与任何天线一样，互易定律适用，并且在接收方向获得等效性能 - 只是更容易可视化波束形成天线辐射模式中的功率分布。

自然波束控制天线比传统的无源天线复杂得多，但它们能够在无线电通信、移动通信和通用无线系统中提供更好的性能，使更多用户能够访问基站、接入点等并获得最佳信号最小的干扰。

许多波束控制天线现在都集成了电子设备来提供所需的功能，尽管它们需要相当大的开发水平，但有些是作为集成模块制造的，并且考虑到性能和功能，成本非常低。移动通信基站所需的那些需要能够容纳非常大量的用户，因此它们将非常复杂并且需要非常高的性能水平。

额外维度

已经表明，通过使用线性天线，可以在一个平面（通常是水平面）中以所需角度控制波束。这是非常有用的，因为它可以控制整个方位角。这可能是许多无线电通信或移动通信系统以及雷达的关键。

然而，在某些情况下，可能需要同时控制天线的方位角和仰角。例如，对于移动通信系统，基站天线可能位于高处，这意味着靠近塔的用户需要将无线电波束向下指向他们。距离较远的用户需要将光束指向更水平的角度。

就像可以控制方位角一样，也可以控制仰角，或者更常见的是控制偏角，因为移动通信用户更有可能低于天线塔。

这可以通过使用天线元件阵列而不仅仅是一系列线性天线元件来实现。

尽管天线及其驱动器更为复杂，但以平面而非共线方式重复了相同的技术。

旁瓣

与任何定向天线一样，会形成许多旁瓣。对于间距小于波长的情况，旁瓣出现在主瓣的任一侧，并且电平降低。

然而，如果阵列元件间隔更宽，则旁瓣的强度会增加，直到分离距离“d”与信号波长 λ 匹配时，与主波束具有相同功率水平的无用波束出现在 ±90°。

旁瓣通常是不需要的，因为它们会导致功率在与主波束不对齐的方向上辐射。这意味着与期望的相比，天线的效率降低了。

模拟和数字天线波束成形

随着电子学的许多领域和数字技术进一步扩展到所有领域，看到有两种实现天线波束成形的方法也就不足为奇了：

模拟天线波束形成： 波束形成的模拟方法可能是最直观的。使用模拟方法，单个数据流由一组数据转换器和一个 RF 收发器处理。射频输出被分成与天线元件一样多的路径，这些信号路径中的每一个都通过移相器，然后被放大并传递到单独的阵列元件。

RF 路径中的模拟天线波束形成是最后一个复杂的过程，它还使用最少的硬件，使其成为构建波束形成阵列的最具成本效益的方法。主要缺点是系统只能处理一个数据流并生成一个信号束。这限制了它在 5G 等需要多波束的应用的要求方面的有效性。

数字天线波束成形： 使用数字天线波束成形，每个天线都有自己的收发器和数据转换器。它可以处理多个数据流并从一个阵列同时生成多个波束。

使用数字天线波束形成，可以生成多组信号并将它们叠加到天线阵列元件上。通过这种方式，它使单个天线阵列能够​​为多个波束提供服务，从而在 5G 等场景中为多个用户提供服务。这通常发生在同一频率信道上，从而实现最佳频谱效率。

与模拟方法相比，使用数字波束形成的方法需要更多的硬件并给数字域中的信号处理带来更大的负担，但具有更大的灵活性和能力。

天线波束成形和天线波束控制是两种强大的天线技术，尽管实施起来很复杂，但它们提供了显着的好处。

审核编辑：汤梓红