天线系统：波束成形和波束控制间的区别

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通信等系统，特别是 5G 以及许多其他无线通信的技术或技术。

随着对更快数据速率、更高密度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保持一致。

天线波束成形允许由多个单个天线组成的天线系统通过改变施加到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成形技术，使单个用户能够将单个波束对准他们。通过这种方式，它们接收到改进的信号，而其他具有自己波束的用户则接收到较低水平的干扰。

波束成形和波束控制之间的区别

在研究这种类型的天线技术时，提到了两个术语。尽管两者有着千丝万缕的联系，但该技术有两个不同的方面，由两个不同的术语来描述：

光束形成：该术语是指由一组相控阵形成能量束的基本过程。使用相控天线阵列，可以根据天线间距和阵列中每个天线元件的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，使用干扰和构建图案技术创建光束称为波束成形。

光束控制：波束控制将波束形成的概念进一步提升到一个阶段。它是一种在不改变天线元件或其他硬件的情况下，通过实时改变信号相位来动态改变波束方向图的方式。

波束控制用于许多情况下，从 5G 到 Wi-Fi，将辐射或接收光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他站的干扰。

波束成形和波束控制是两种相互关联的技术，但两者都被整合到许多新通信技术（如 5G）使用的天线类型中。

天线波束成形：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工作的基础。

相控阵天线有很多种类型，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，例如在 2 - 5 GHz 区域或更高。

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。这将给出一个与天线轴线或平面成直角的信号。

但是，通过控制和改变天线信号的相位，可以提供不同的指令模式。可以更改天线的定向方向图。可以改变指向性方向图，以便来自天线的主辐射波束指向接收器。通过这种方式，可以尽可能有效地利用辐射功率。

波束控制天线中的各种元件彼此相等间隔是正常的。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。

但是，如果施加相位差，使每个天线元件与相邻天线元件的相移相等，则信号将以与垂直线不同的角度进行建设性组合，从而产生与垂直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，每个天线馈电都是受控的，因此可以控制每个元件的相位和振幅。这在波前中产生了所需的相长干涉和相消干涉模式。

波束成形天线阵列可以通过使用许多紧密间隔的天线元件来创建。如果它们相距等距“d”，那么我们可以看到性能如下。

天线波束成形在移动或蜂窝电信中的应用

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，即它们在各个方向上均匀辐射，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它们所安装的平面。

也可以逐步改变阵列天线元件之间的相位，以形成不同角度的波束。晶片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，并且在接收方向上获得等效性能 - 更容易可视化波束成形天线辐射方向图中的功率分布。

当然，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，使更多的用户能够访问基站、接入点等，并以最小的干扰获得最佳信号。

现在，许多波束控制天线都集成了电子设备以提供所需的功能，尽管它们需要相当高的开发水平，但有些天线是作为集成模块制造的，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大量用户，因此它们将非常复杂，并且需要非常高的性能水平。

额外尺寸

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。这非常有用，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。

但是，在某些情况下，可能需要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将需要将无线电波束向下指向他们。距离较远的用户将需要以更水平的角度指向光束。

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来实现，而不仅仅是线性天线元件系列。

尽管天线及其驱动器更加复杂，但重复相同的技术，但以平面而不是共线方式进行。

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，旁瓣出现在主瓣的两侧，电平递减。

然而，如果阵列元件的间距更宽，旁瓣的强度会增加，直到间隔距离“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光束出现在±90°处。

旁瓣通常是不需要的，因为它们会导致功率在与主光束不对齐的方向上辐射。这意味着与预期相比，天线的效率会降低。

模拟和数字天线波束成形

与电子领域一样，随着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：波束成形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，每个信号路径都通过移相器，然后被放大并传递到各个阵列元件。

射频路径中的模拟天线波束成形是最后一种复杂的方法，它还使用最少的硬件，使其成为构建波束成形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波束。这限制了其在需要多个波束的 5G 等应用方面的有效性。

数字天线波束形成：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。

用于移动或蜂窝电信的具有两个波束的天线波束成形

使用数字天线波束成形，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服务于多个波束，从而在5G等场景中为多个用户提供服务。这通常发生在相同的频道上，从而实现最佳的频谱效率。

与模拟方法相比，使用数字波束成形的方法需要更多的硬件，并且给数字域中的信号处理带来了更大的负担，但具有更大的灵活性和功能。

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，但具有显著的优势。

审核编辑：黄飞