波束赋形

转自公众号“无线深海”，作者“浮游采采”：https://mp.weixin.qq.com/s/qfw8I-1cpVGGGKcfCX8uUg

如果我们把这些天线单元的排布改成矩形，电磁波辐射能量将在最中央形成一个很粗的主瓣，周边是一圈的旁瓣，这就有点波束赋形的意思了。

为了让波束更窄能量更集中，天线单元还需要更多更密，水平和垂直两个维度也都要兼顾，原本的天线就变成了大规模天线阵列。

这下，生成的波束就犀利多了，用大规模天线阵列来支持波束赋形，稳了！

但是这样还有问题，那就是这个最大波束位于正中央，且其传播方向和天线阵列垂直，而手机是一直随着用户移动的，所在的位置完全不确定，主波束虽然犀利，但照射不到手机上也是白搭。

那么，能不能让波束偏移一定的角度，对准手机来发射呢？

首先我们看看中央的主波束的形成过程：多列波的相位相同，也就是波峰和波谷在同一时间是对齐的，则它们到达手机时，就可以相长干涉，信号通过叠加得以增强。

如果手机和天线阵列有一定的夹角，则各列波到达手机时，相位难以对齐，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位进行叠加，难以达到相长干涉，信号叠加的效果。

这可咋办？总不能通过旋转天线来让波束跟随手机吧？

其实，周期性是波最大的特点，不同的相位总是周期性的出现，错过了这个波峰，还有下一个波峰要来，因此相位是可以调整的。

通过调整不同天线单元发射信号的振幅和相位（权值），即使它们的传播路径各不相同，只要在到达手机的时候相位相同，就可以达到信号叠加增强的结果，相当于天线阵列把信号对准了手机。

下图是一个示例，可以看出天线阵列通过调整发射信号的相位，让波束偏移了θ度，从而可以精确对准手机发射信号。

根据波束赋形处理位置和方式的不同，可分为数字波束赋形，模拟波束赋形，以及混合波束赋形这三种。

所谓模拟波束赋形，就是通过处理射频信号权值，通过移相器来完成天线相位的调整，处理的位置相对靠后。

模拟波束赋形的特点是基带处理的通道数量远小于天线单元的数量，因此容量上受到限制，并且天线的赋形完全是靠硬件搭建的，还会受到器件精度的影响，使性能受到一定的制约。

数字波束赋形则在基带模块的时候就进行了天线权值的处理，基带处理的通道数和天线单元的数量相等，因此需要为每路数据配置一套射频链路。

数字波束赋形的优点是赋形精度高，实现灵活，天线权值变换响应及时；缺点是基带处理能力要求高，系统复杂，设备体积大，成本较高。

业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来，使在模拟端可调幅调相的波束赋形，结合基带的数字波束赋形，称之为混合波束赋形。

混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形，非常适用于高频系统。