波束成形技術的崛起

當今世界正經歷一場由5G、6G、Wi-Fi 7、物聯網和衛星通信等技術驅動的數字海嘯。高清視頻流、在線協作、自動駕駛以及元宇宙概念無不依賴于瞬間、可靠的海量數據傳輸。然而，有限的頻譜資源與幾何級增長的數據需求使得傳統無線通信方式無法滿足用戶通信需求。如何在不增加頻譜帶寬的前提下，大幅提升網絡容量和效率，成為整個行業必須攻克的難題。

此外，傳統的全向天線模式將寶貴的射頻能量均勻地向四面八方擴散，這不僅浪費發射功率，且易造成信號間的相互干擾，輻射效率十分低下。這引出了一個核心問題：能否像手電筒聚光一樣，將無線信號智能地、精準地指向特定的用戶或設備？這種思路的轉變，意味著無線通信需要從“廣播”時代進入“聚焦”時代，實現信號在空間中的定向傳輸與接收，從而在提升目標信號強度的同時，最大限度地減少對其它方向的干擾。

**波束成形（Beamforming）正是應對這一挑戰的關鍵性解決方案。**其核心思想是通過控制多個天線單元發射信號的相位，使這些信號在空間中特定點處產生建設性的干涉（同相信號疊加增強），而在其他點產生破壞性干涉（信號抵消減弱），從而形成一道能量集中、方向明確的定向波束。

當前，波束成形技術已廣泛應用于無線通信、雷達與聲納以及太空探測、語音增強等諸多 領域 ：

• **無線通信：**在Wi-Fi（如Wi-Fi 4及以上標準）和5G等移動通信技術中，波束成形能改善信號質量、增加覆蓋范圍和吞吐量。
• **雷達與聲納：**在雷達和聲納系統中，波束成形用于定向發送和接收信號，以準確探測目標或水下物體。
• **太空探測：**波束成形能夠精確控制衛星信號的覆蓋區域，并隨衛星的移動動態調整波束方向，以補償衛星與地面接收設備之間相對位置的變化。

波束成形技術優勢如下：

• **提高信噪比：**增強接收信號的強度，同時降低噪聲和干擾，從而提高接收器的信噪比。
• **提升數據吞吐量：**能量集中定向發送信號，使得在特定方向上可以傳輸更多的數據。
• **增加傳輸距離：**通過集中能量，可以在更遠的距離上保持信號的有效性。
• **空間濾波功能：**能夠識別并抑制來自特定方向的干擾信號和噪聲。

波束成形技術原理

在了解了波束成形的背景和技術優勢后，大家可能會產生**疑問：那么應該怎么才能實現波束成形呢？接下來，我將以均勻天線陣列（Uniform Linear Array, ULA）**為例，講述如何實現波束成形。

為了便于理解，假設均勻天線陣列和接收機處于遠場通信場景，即天線發出信號以平面波形式向外輻射。定義均勻線陣相鄰天線之間的距離為d，定義信號方向與天線陣列間的夾角為θ，若以第一個天線單元（標記為0）為零相位參考點，后面每個天線單元較參考天線單元而言存在nd，n=1,2,...,N-1的間距，而針對電磁波傳輸路徑而言，從標記為1的天線往后，電磁波到達各天線時均存在ndsinθ,n=1,2,...,N-1的路程差。因此平面電磁波到達各天線時將存在不同的相位差，用**陣列導向矢量**可表示為：

在獲得ULA的陣列導向矢量之后，核心問題就是如何通過對天線陣列各單元施加加權因子（幅度與相位），使得在期望方向上的信號得到相干疊加增強，而在非期望方向上的信號產生干涉和抑制減弱，從而實現定向波束指向或定向波束覆蓋。

定義陣列加權向量為w = [w0, w1, ... wN-1]T

，將陣列導向矢量與加權向量進行點積，即可得到在該加權因子作用下的陣列響應（波束成形輸出）：

其中，WH表示加權向量的共軛轉置。

此外，針對均勻平面陣列（Uniform Planar Array, UPA）的分析和ULA幾乎相同，只不過此時陣列是二維分布的，常見于 5G Massive MIMO 天線陣列、毫米波通信等。首先假設UPA在x軸方向有Nx個陣元，在y軸方向有Ny個陣元，陣元間距分別為dx和dy。假設平面波從方向角(Φ,θ)入射/發射（其中Φ表示方位角，θ表示仰角）。則對于位于(m,n)位置的陣元（其中m=0,1,...,Nx-1;n=0,1,...,Ny-1），其相位延遲為：

因此，UPA的陣列導向矢量可以寫為：

也可以表示為Kronecker積的形式（便于計算）：

其中：

ULA一樣，UPA的波束成形也可通過加權向量W=[w0,0,w0,1,...,wNx-1,Ny-1]T與導向矢量a(θ,Φ)的內積實現。那么在方向(θ,Φ)上的陣列響應（波束成形輸出）：

參考資料：https://zhuanlan.zhihu.com/p/583424603

德思特Vaunix LBM-7250-4 Butler Matrix

要實現波束成形，就需要一個核心部件來精確控制各天線單元的相位。在多種實現方式中，Butler Matrix作為一種經典且高效的無源波束成形網絡，以其無需復雜算法、穩定可靠、即插即用的獨特優勢，在模擬波束成形領域占據了重要地位。它能夠賦予不同輸入端口與輸出端口間的信號精確的相位差，從而在空間形成多個固定的、高指向性的波束。 下面將展示德思特Vaunix推出的LBM-7250-4 Butler Matrix，旨在為研發與測試人員提供一款前所未有的高效工具 。下圖所示為LBM-7250-4 Butler Matrix的相位映射圖。

觀察相位映射圖可知，橫向表頭1，2，3，4表示LBM-7250-4的4個輸出端口，縱向表頭1R，2R，1L，2L表示4個輸入端口，其中 “R” 和 “L” 是習慣命名，分別代表波束指向天線陣列的右側（Right）和左側（Left）。下面以一組簡單的例子進行說明。假設從信號從端口 “1R” 輸入，則4個輸出端口的相對相移分別為-45°、-90°、-135°、-180°，其相位相差Δφ=45°。根據天線理論，對于ULA，相鄰單元間的相位差Δφ與波束指向角θ間滿足公式：

若此時相鄰天線單元間隔為半波長，將相位差代入，計算可得到：

因此，一個N×N的巴特勒矩陣可以產生N個波束，每個波束對應一個輸入端口。

相關產品

德思特Vaunix巴特勒矩陣TS-LBM-7250-4 Butler Matrix

• 寬頻率范圍 ：2400 – 7250 MHz，覆蓋了Wi-Fi、4G/5G頻段等關鍵無線頻段。
• 多波束配置 ：4x4 端口（4個輸入端口對應4個固定波束方向）。
• 卓越性能 ：低插入損耗、優異的幅度和相位穩定性。
• **便攜性與易用性：**采用小巧尺寸和USB供電，徹底擺脫笨重的機箱和外部電源。
• **控制軟件：**可通過圖形化軟件或編程接口（DLL, LabVIEW, Python等）輕松控制、快速切換波束。
• 同步功能 ：多臺設備可同步工作，以構建更復雜的大規模天線測試系統或ATE測試系統。

審核編輯 黃宇