天線(xiàn)系統(tǒng)：波束成形和波束控制間的區(qū)別

天線(xiàn)波束成形和天線(xiàn)波束控制是越來(lái)越多地用于蜂窩或移動(dòng)通信等系統(tǒng)，特別是 5G 以及許多其他無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)或技術(shù)。

隨著對(duì)更快數(shù)據(jù)速率、更高密度移動(dòng)設(shè)備等的需求不斷增長(zhǎng)，天線(xiàn)技術(shù)正在與所使用的其他技術(shù)保持一致。

天線(xiàn)波束成形允許由多個(gè)單個(gè)天線(xiàn)組成的天線(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)改變施加到陣列中各個(gè)天線(xiàn)元件的信號(hào)的相位和幅度來(lái)改變整個(gè)波束的方向。

提高性能所需的技術(shù)可以利用天線(xiàn)波束成形技術(shù)，使單個(gè)用戶(hù)能夠?qū)蝹€(gè)波束對(duì)準(zhǔn)他們。通過(guò)這種方式，它們接收到改進(jìn)的信號(hào)，而其他具有自己波束的用戶(hù)則接收到較低水平的干擾。

波束成形和波束控制之間的區(qū)別

在研究這種類(lèi)型的天線(xiàn)技術(shù)時(shí)，提到了兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。盡管兩者有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，但該技術(shù)有兩個(gè)不同的方面，由兩個(gè)不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述：

光束形成：該術(shù)語(yǔ)是指由一組相控陣形成能量束的基本過(guò)程。使用相控天線(xiàn)陣列，可以根據(jù)天線(xiàn)間距和陣列中每個(gè)天線(xiàn)元件的信號(hào)相位來(lái)控制來(lái)自多個(gè)天線(xiàn)的信號(hào)波束的形狀和方向。

因此，使用干擾和構(gòu)建圖案技術(shù)創(chuàng)建光束稱(chēng)為波束成形。

光束控制：波束控制將波束形成的概念進(jìn)一步提升到一個(gè)階段。它是一種在不改變天線(xiàn)元件或其他硬件的情況下，通過(guò)實(shí)時(shí)改變信號(hào)相位來(lái)動(dòng)態(tài)改變波束方向圖的方式。

波束控制用于許多情況下，從 5G 到 Wi-Fi，將輻射或接收光束聚焦在特定站點(diǎn)上，為該站點(diǎn)、EUE 等提供最大增益并減少對(duì)他站的干擾。

波束成形和波束控制是兩種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)，但兩者都被整合到許多新通信技術(shù)（如 5G）使用的天線(xiàn)類(lèi)型中。

天線(xiàn)波束成形：基礎(chǔ)知識(shí)

波束成形和波束控制天線(xiàn)使用相控陣天線(xiàn)技術(shù)作為其工作的基礎(chǔ)。

相控陣天線(xiàn)有很多種類(lèi)型，但通常波束控制天線(xiàn)會(huì)使用許多小元件，因?yàn)槭褂玫念l率往往相對(duì)較高，例如在 2 - 5 GHz 區(qū)域或更高。

對(duì)于許多類(lèi)型的相控陣天線(xiàn)，從各個(gè)元件發(fā)出的信號(hào)的相位是固定的，通常由用于將元件連接到信號(hào)源的饋線(xiàn)長(zhǎng)度決定。這將給出一個(gè)與天線(xiàn)軸線(xiàn)或平面成直角的信號(hào)。

但是，通過(guò)控制和改變天線(xiàn)信號(hào)的相位，可以提供不同的指令模式。可以更改天線(xiàn)的定向方向圖?？梢愿淖冎赶蛐苑较驁D，以便來(lái)自天線(xiàn)的主輻射波束指向接收器。通過(guò)這種方式，可以盡可能有效地利用輻射功率。

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

但是，如果施加相位差，使每個(gè)天線(xiàn)元件與相鄰天線(xiàn)元件的相移相等，則信號(hào)將以與垂直線(xiàn)不同的角度進(jìn)行建設(shè)性組合，從而產(chǎn)生與垂直線(xiàn)成一定角度的波前。

為了在波束控制天線(xiàn)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，每個(gè)天線(xiàn)元件都單獨(dú)饋送要傳輸?shù)男盘?hào)。但是，每個(gè)天線(xiàn)饋電都是受控的，因此可以控制每個(gè)元件的相位和振幅。這在波前中產(chǎn)生了所需的相長(zhǎng)干涉和相消干涉模式。

波束成形天線(xiàn)陣列可以通過(guò)使用許多緊密間隔的天線(xiàn)元件來(lái)創(chuàng)建。如果它們相距等距“d”，那么我們可以看到性能如下。

天線(xiàn)波束成形在移動(dòng)或蜂窩電信中的應(yīng)用

其中
Ψ = 兩個(gè)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?cè)诟鱾€(gè)方向上均勻輻射，它們都具有相同的增益，并且由相同相位和功率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則合成光束將直接指向它們所安裝的平面。

也可以逐步改變陣列天線(xiàn)元件之間的相位，以形成不同角度的波束。晶片之間的相位差決定了光束的角度。

與任何天線(xiàn)一樣，互易定律適用，并且在接收方向上獲得等效性能 - 更容易可視化波束成形天線(xiàn)輻射方向圖中的功率分布。

當(dāng)然，波束控制天線(xiàn)比傳統(tǒng)的無(wú)源天線(xiàn)復(fù)雜得多，但它們能夠在無(wú)線(xiàn)電通信、移動(dòng)通信和通用無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中提供更好的性能，使更多的用戶(hù)能夠訪問(wèn)基站、接入點(diǎn)等，并以最小的干擾獲得最佳信號(hào)。

現(xiàn)在，許多波束控制天線(xiàn)都集成了電子設(shè)備以提供所需的功能，盡管它們需要相當(dāng)高的開(kāi)發(fā)水平，但有些天線(xiàn)是作為集成模塊制造的，考慮到性能和功能，成本非常低。移動(dòng)通信基站所需的那些需要能夠容納大量用戶(hù)，因此它們將非常復(fù)雜，并且需要非常高的性能水平。

額外尺寸

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

但是，在某些情況下，可能需要控制天線(xiàn)的方位角和仰角。例如，對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)，基站天線(xiàn)可能位于高處，這意味著靠近塔的用戶(hù)將需要將無(wú)線(xiàn)電波束向下指向他們。距離較遠(yuǎn)的用戶(hù)將需要以更水平的角度指向光束。

就像可以控制方位角一樣，也可以控制仰角，或者更常見(jiàn)的是偏角，因?yàn)橐苿?dòng)通信用戶(hù)更有可能低于天線(xiàn)塔。

這可以通過(guò)使用天線(xiàn)元件陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是線(xiàn)性天線(xiàn)元件系列。

盡管天線(xiàn)及其驅(qū)動(dòng)器更加復(fù)雜，但重復(fù)相同的技術(shù)，但以平面而不是共線(xiàn)方式進(jìn)行。

旁瓣

與任何定向天線(xiàn)一樣，會(huì)形成許多旁瓣。對(duì)于間距小于波長(zhǎng)的情況，旁瓣出現(xiàn)在主瓣的兩側(cè)，電平遞減。

然而，如果陣列元件的間距更寬，旁瓣的強(qiáng)度會(huì)增加，直到間隔距離“d”與信號(hào)波長(zhǎng)λ匹配時(shí)，與主波束具有相同功率水平的無(wú)用光束出現(xiàn)在±90°處。

旁瓣通常是不需要的，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致功率在與主光束不對(duì)齊的方向上輻射。這意味著與預(yù)期相比，天線(xiàn)的效率會(huì)降低。

模擬和數(shù)字天線(xiàn)波束成形

與電子領(lǐng)域一樣，隨著數(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(xiàn)波束成形的方法也就不足為奇了：

模擬天線(xiàn)波束形成：波束成形的模擬方法可能是最直觀的。使用模擬方法，單個(gè)數(shù)據(jù)流由一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)RF收發(fā)器處理。射頻輸出被分成與天線(xiàn)元件一樣多的路徑，每個(gè)信號(hào)路徑都通過(guò)移相器，然后被放大并傳遞到各個(gè)陣列元件。

射頻路徑中的模擬天線(xiàn)波束成形是最后一種復(fù)雜的方法，它還使用最少的硬件，使其成為構(gòu)建波束成形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(gè)數(shù)據(jù)流并生成一個(gè)信號(hào)波束。這限制了其在需要多個(gè)波束的 5G 等應(yīng)用方面的有效性。

數(shù)字天線(xiàn)波束形成：使用數(shù)字天線(xiàn)波束成形，每個(gè)天線(xiàn)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(gè)數(shù)據(jù)流，并從一個(gè)陣列同時(shí)生成多個(gè)波束。

用于移動(dòng)或蜂窩電信的具有兩個(gè)波束的天線(xiàn)波束成形

使用數(shù)字天線(xiàn)波束成形，可以生成多組信號(hào)并將它們疊加到天線(xiàn)陣列元件上。通過(guò)這種方式，它使單個(gè)天線(xiàn)陣列能夠服務(wù)于多個(gè)波束，從而在5G等場(chǎng)景中為多個(gè)用戶(hù)提供服務(wù)。這通常發(fā)生在相同的頻道上，從而實(shí)現(xiàn)最佳的頻譜效率。

與模擬方法相比，使用數(shù)字波束成形的方法需要更多的硬件，并且給數(shù)字域中的信號(hào)處理帶來(lái)了更大的負(fù)擔(dān)，但具有更大的靈活性和功能。

天線(xiàn)波束成形和天線(xiàn)波束控制是兩種強(qiáng)大的天線(xiàn)技術(shù)，盡管實(shí)施起來(lái)很復(fù)雜，但具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：黃飛