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。

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