天線波束成形和天線波束控制是越來越多地用于蜂窩或移動電信等系統(tǒng)的技術(shù)，尤其是 5G 以及許多其他無線通信。據(jù)IC先生了解，隨著對更快的數(shù)據(jù)速率、更高密度的移動設(shè)備等的需求不斷增長，天線技術(shù)正在與所使用的其他技術(shù)一起發(fā)展。

天線波束成形允許由多個獨(dú)立天線組成的天線系統(tǒng)通過改變應(yīng)用于陣列中各個天線元件的信號的相位和幅度來改變整個波束的方向。

提高性能所需的技術(shù)可以利用天線波束形成技術(shù)，使各個用戶能夠?qū)为?dú)的波束指向他們。通過這種方式，他們接收到的信號得到了改善，而其他擁有自己波束的用戶則受到了較低水平的干擾。

波束成形和波束控制之間的區(qū)別

在研究此類天線技術(shù)時，會提到兩個術(shù)語。盡管有著千絲萬縷的聯(lián)系，但該技術(shù)有兩個不同的方面，用兩個不同的術(shù)語來描述：

波束形成： 該術(shù)語指的是來自一組相控陣的能量束的基本形成。使用相控天線陣列，可以根據(jù)陣列中每個天線元件的天線間距和信號相位來控制來自多個天線的信號波束的形狀和方向。

因此，使用干涉和構(gòu)建模式的技術(shù)創(chuàng)建波束被稱為波束成形。

波束控制： 波束控制將波束形成的概念更進(jìn)一步。這是一種可以通過實(shí)時改變信號相位而無需改變天線元件或其他硬件來動態(tài)改變波束方向圖的方法。

從 5G 到 Wi-Fi，許多情況下都使用波束控制，將輻射或接收波束聚焦在特定站點(diǎn)上，為該站點(diǎn)、EUE 等提供最大增益，并減少對其他站點(diǎn)的干擾。

波束成形和波束控制是兩種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)，但兩者都被納入了與 5G 等許多新通信技術(shù)一起使用的天線類型。

天線波束形成：基礎(chǔ)知識

波束成形和波束控制天線使用相控陣天線技術(shù)作為其運(yùn)行的基礎(chǔ)。

相控陣天線有多種類型，但通常波束控制天線會使用許多小元件，因?yàn)槭褂玫念l率往往相對較高，比如 2 - 5 GHz 或更高的區(qū)域。

對于許多類型的相控陣天線，從各個元件發(fā)出的信號的相位是固定的，通常由用于將元件連接到信號源的饋線長度決定。這將給出與天線的軸或平面成直角的信號。

然而，通過控制和改變天線信號的相位，可以提供不同的方向圖。可以改變天線的方向圖。方向圖可以變化，以便天線的主輻射束指向接收器。以這種方式，可以盡可能有效地使用輻射功率。

波束控制天線中的各種元件彼此等距間隔是正常的。如果不同元件之間沒有相位差，則信號將組合在一起并在垂直于元件平面的方向上相互增強(qiáng)。

然而，如果施加相位差，使每個天線元件與相鄰天線元件具有相等的相移，則信號將以與垂線不同的角度建設(shè)性地組合，從而產(chǎn)生與垂線成一定角度的波前。

為了在波束控制天線中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，每個天線元件都單獨(dú)饋送要傳輸?shù)男盘枴５牵總€天線饋電都受到控制，因此可以控制每個元件的相位和振幅。這會在波前產(chǎn)生所需的建設(shè)性和破壞性干涉模式。

波束成形天線陣列可以通過使用多個緊密間隔的天線元件來創(chuàng)建。如果它們等間隔距離“d”，那么我們可以看到如下所示的性能。

其中，Ψ = 兩個相鄰光束之間的相位差。

如果陣列中的所有元件都是各向同性的，即它們在所有方向上均等地輻射，它們都具有相同的增益，并且由相同相位和功率的信號驅(qū)動，則合成光束將直接指向平面之外它們已安裝。

也可以逐漸改變陣列天線元件之間的相位以形成不同角度的波束。元件之間的相位差決定了光束的角度。

與任何天線一樣，互易定律適用，并且在接收方向獲得等效性能 - 只是更容易可視化波束形成天線輻射模式中的功率分布。

自然波束控制天線比傳統(tǒng)的無源天線復(fù)雜得多，但它們能夠在無線電通信、移動通信和通用無線系統(tǒng)中提供更好的性能，使更多用戶能夠訪問基站、接入點(diǎn)等并獲得最佳信號最小的干擾。

許多波束控制天線現(xiàn)在都集成了電子設(shè)備來提供所需的功能，盡管它們需要相當(dāng)大的開發(fā)水平，但有些是作為集成模塊制造的，并且考慮到性能和功能，成本非常低。移動通信基站所需的那些需要能夠容納非常大量的用戶，因此它們將非常復(fù)雜并且需要非常高的性能水平。

額外維度

已經(jīng)表明，通過使用線性天線，可以在一個平面（通常是水平面）中以所需角度控制波束。這是非常有用的，因?yàn)樗梢钥刂普麄€方位角。這可能是許多無線電通信或移動通信系統(tǒng)以及雷達(dá)的關(guān)鍵。

然而，在某些情況下，可能需要同時控制天線的方位角和仰角。例如，對于移動通信系統(tǒng)，基站天線可能位于高處，這意味著靠近塔的用戶需要將無線電波束向下指向他們。距離較遠(yuǎn)的用戶需要將光束指向更水平的角度。

就像可以控制方位角一樣，也可以控制仰角，或者更常見的是控制偏角，因?yàn)橐苿油ㄐ庞脩舾锌赡艿陀谔炀€塔。

這可以通過使用天線元件陣列而不僅僅是一系列線性天線元件來實(shí)現(xiàn)。

盡管天線及其驅(qū)動器更為復(fù)雜，但以平面而非共線方式重復(fù)了相同的技術(shù)。

旁瓣

與任何定向天線一樣，會形成許多旁瓣。對于間距小于波長的情況，旁瓣出現(xiàn)在主瓣的任一側(cè)，并且電平降低。

然而，如果陣列元件間隔更寬，則旁瓣的強(qiáng)度會增加，直到分離距離“d”與信號波長 λ 匹配時，與主波束具有相同功率水平的無用波束出現(xiàn)在 ±90°。

旁瓣通常是不需要的，因?yàn)樗鼈儠?dǎo)致功率在與主波束不對齊的方向上輻射。這意味著與期望的相比，天線的效率降低了。

模擬和數(shù)字天線波束成形

隨著電子學(xué)的許多領(lǐng)域和數(shù)字技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展到所有領(lǐng)域，看到有兩種實(shí)現(xiàn)天線波束成形的方法也就不足為奇了：

模擬天線波束形成： 波束形成的模擬方法可能是最直觀的。使用模擬方法，單個數(shù)據(jù)流由一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和一個 RF 收發(fā)器處理。射頻輸出被分成與天線元件一樣多的路徑，這些信號路徑中的每一個都通過移相器，然后被放大并傳遞到單獨(dú)的陣列元件。

RF 路徑中的模擬天線波束形成是最后一個復(fù)雜的過程，它還使用最少的硬件，使其成為構(gòu)建波束形成陣列的最具成本效益的方法。主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)只能處理一個數(shù)據(jù)流并生成一個信號束。這限制了它在 5G 等需要多波束的應(yīng)用的要求方面的有效性。

數(shù)字天線波束成形： 使用數(shù)字天線波束成形，每個天線都有自己的收發(fā)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。它可以處理多個數(shù)據(jù)流并從一個陣列同時生成多個波束。

使用數(shù)字天線波束形成，可以生成多組信號并將它們疊加到天線陣列元件上。通過這種方式，它使單個天線陣列能夠??為多個波束提供服務(wù)，從而在 5G 等場景中為多個用戶提供服務(wù)。這通常發(fā)生在同一頻率信道上，從而實(shí)現(xiàn)最佳頻譜效率。

與模擬方法相比，使用數(shù)字波束形成的方法需要更多的硬件并給數(shù)字域中的信號處理帶來更大的負(fù)擔(dān)，但具有更大的靈活性和能力。

天線波束成形和天線波束控制是兩種強(qiáng)大的天線技術(shù)，盡管實(shí)施起來很復(fù)雜，但它們提供了顯著的好處。

審核編輯：湯梓紅