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通信等系統，特別是 5G 以及許多其他無線通信的技術或技術。

隨著對更快數據速率、更高密度移動設備等的需求不斷增長，天線技術正在與所使用的其他技術保持一致。

天線波束成形允許由多個單個天線組成的天線系統通過改變施加到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可以利用天線波束成形技術，使單個用戶能夠將單個波束對準他們。通過這種方式，它們接收到改進的信號，而其他具有自己波束的用戶則接收到較低水平的干擾。

波束成形和波束控制之間的區別

在研究這種類型的天線技術時，提到了兩個術語。盡管兩者有著千絲萬縷的聯系，但該技術有兩個不同的方面，由兩個不同的術語來描述：

光束形成：該術語是指由一組相控陣形成能量束的基本過程。使用相控天線陣列，可以根據天線間距和陣列中每個天線元件的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，使用干擾和構建圖案技術創建光束稱為波束成形。

光束控制：波束控制將波束形成的概念進一步提升到一個階段。它是一種在不改變天線元件或其他硬件的情況下，通過實時改變信號相位來動態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上，為該站點、EUE 等提供最大增益并減少對他站的干擾。

波束成形和波束控制是兩種相互關聯的技術，但兩者都被整合到許多新通信技術（如 5G）使用的天線類型中。

天線波束成形：基礎知識

波束成形和波束控制天線使用相控陣天線技術作為其工作的基礎。

相控陣天線有很多種類型，但通常波束控制天線會使用許多小元件，因為使用的頻率往往相對較高，例如在 2 - 5 GHz 區域或更高。

對于許多類型的相控陣天線，從各個元件發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。這將給出一個與天線軸線或平面成直角的信號。

但是，通過控制和改變天線信號的相位，可以提供不同的指令模式。可以更改天線的定向方向圖。可以改變指向性方向圖，以便來自天線的主輻射波束指向接收器。通過這種方式，可以盡可能有效地利用輻射功率。

波束控制天線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。

但是，如果施加相位差，使每個天線元件與相鄰天線元件的相移相等，則信號將以與垂直線不同的角度進行建設性組合，從而產生與垂直線成一定角度的波前。

為了在波束控制天線中實現這一點，每個天線元件都單獨饋送要傳輸的信號。但是，每個天線饋電都是受控的，因此可以控制每個元件的相位和振幅。這在波前中產生了所需的相長干涉和相消干涉模式。

波束成形天線陣列可以通過使用許多緊密間隔的天線元件來創建。如果它們相距等距“d”，那么我們可以看到性能如下。

天線波束成形在移動或蜂窩電信中的應用

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，即它們在各個方向上均勻輻射，它們都具有相同的增益，并且由相同相位和功率的信號驅動，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輻射方向圖中的功率分布。

當然，波束控制天線比傳統的無源天線復雜得多，但它們能夠在無線電通信、移動通信和通用無線系統中提供更好的性能，使更多的用戶能夠訪問基站、接入點等，并以最小的干擾獲得最佳信號。

現在，許多波束控制天線都集成了電子設備以提供所需的功能，盡管它們需要相當高的開發水平，但有些天線是作為集成模塊制造的，考慮到性能和功能，成本非常低。移動通信基站所需的那些需要能夠容納大量用戶，因此它們將非常復雜，并且需要非常高的性能水平。

額外尺寸

已經表明，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。這非常有用，因為它可以控制整個方位角。這可能是許多無線電通信或移動通信系統以及雷達的關鍵。

但是，在某些情況下，可能需要控制天線的方位角和仰角。例如，對于移動通信系統，基站天線可能位于高處，這意味著靠近塔的用戶將需要將無線電波束向下指向他們。距離較遠的用戶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，或者更常見的是偏角，因為移動通信用戶更有可能低于天線塔。

這可以通過使用天線元件陣列來實現，而不僅僅是線性天線元件系列。

盡管天線及其驅動器更加復雜，但重復相同的技術，但以平面而不是共線方式進行。

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，旁瓣出現在主瓣的兩側，電平遞減。

然而，如果陣列元件的間距更寬，旁瓣的強度會增加，直到間隔距離“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光束出現在±90°處。

旁瓣通常是不需要的，因為它們會導致功率在與主光束不對齊的方向上輻射。這意味著與預期相比，天線的效率會降低。

模擬和數字天線波束成形

與電子領域一樣，隨著數字技術進一步擴展到所有領域，看到有兩種實現天線波束成形的方法也就不足為奇了：

模擬天線波束形成：波束成形的模擬方法可能是最直觀的。使用模擬方法，單個數據流由一組數據轉換器和一個RF收發器處理。射頻輸出被分成與天線元件一樣多的路徑，每個信號路徑都通過移相器，然后被放大并傳遞到各個陣列元件。

射頻路徑中的模擬天線波束成形是最后一種復雜的方法，它還使用最少的硬件，使其成為構建波束成形陣列的最具成本效益的方法。主要缺點是系統只能處理一個數據流并生成一個信號波束。這限制了其在需要多個波束的 5G 等應用方面的有效性。

數字天線波束形成：使用數字天線波束成形，每個天線都有自己的收發器和數據轉換器。它可以處理多個數據流，并從一個陣列同時生成多個波束。

用于移動或蜂窩電信的具有兩個波束的天線波束成形

使用數字天線波束成形，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服務于多個波束，從而在5G等場景中為多個用戶提供服務。這通常發生在相同的頻道上，從而實現最佳的頻譜效率。

與模擬方法相比，使用數字波束成形的方法需要更多的硬件，并且給數字域中的信號處理帶來了更大的負擔，但具有更大的靈活性和功能。

天線波束成形和天線波束控制是兩種強大的天線技術，盡管實施起來很復雜，但具有顯著的優勢。

審核編輯：黃飛