波束成形技術(shù)的崛起

當(dāng)今世界正經(jīng)歷一場(chǎng)由5G、6G、Wi-Fi 7、物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信等技術(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字海嘯。高清視頻流、在線協(xié)作、自動(dòng)駕駛以及元宇宙概念無(wú)不依賴于瞬間、可靠的海量數(shù)據(jù)傳輸。然而，有限的頻譜資源與幾何級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求使得傳統(tǒng)無(wú)線通信方式無(wú)法滿足用戶通信需求。如何在不增加頻譜帶寬的前提下，大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量和效率，成為整個(gè)行業(yè)必須攻克的難題。

此外，傳統(tǒng)的全向天線模式將寶貴的射頻能量均勻地向四面八方擴(kuò)散，這不僅浪費(fèi)發(fā)射功率，且易造成信號(hào)間的相互干擾，輻射效率十分低下。這引出了一個(gè)核心問(wèn)題：能否像手電筒聚光一樣，將無(wú)線信號(hào)智能地、精準(zhǔn)地指向特定的用戶或設(shè)備？這種思路的轉(zhuǎn)變，意味著無(wú)線通信需要從“廣播”時(shí)代進(jìn)入“聚焦”時(shí)代，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在空間中的定向傳輸與接收，從而在提升目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，最大限度地減少對(duì)其它方向的干擾。

**波束成形（Beamforming）正是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵性解決方案。**其核心思想是通過(guò)控制多個(gè)天線單元發(fā)射信號(hào)的相位，使這些信號(hào)在空間中特定點(diǎn)處產(chǎn)生建設(shè)性的干涉（同相信號(hào)疊加增強(qiáng)），而在其他點(diǎn)產(chǎn)生破壞性干涉（信號(hào)抵消減弱），從而形成一道能量集中、方向明確的定向波束。

當(dāng)前，波束成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)與聲納以及太空探測(cè)、語(yǔ)音增強(qiáng)等諸多 領(lǐng)域 ：

• **無(wú)線通信：**在Wi-Fi（如Wi-Fi 4及以上標(biāo)準(zhǔn)）和5G等移動(dòng)通信技術(shù)中，波束成形能改善信號(hào)質(zhì)量、增加覆蓋范圍和吞吐量。
• **雷達(dá)與聲納：**在雷達(dá)和聲納系統(tǒng)中，波束成形用于定向發(fā)送和接收信號(hào)，以準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)或水下物體。
• **太空探測(cè)：**波束成形能夠精確控制衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋區(qū)域，并隨衛(wèi)星的移動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整波束方向，以補(bǔ)償衛(wèi)星與地面接收設(shè)備之間相對(duì)位置的變化。

波束成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

• **提高信噪比：**增強(qiáng)接收信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)降低噪聲和干擾，從而提高接收器的信噪比。
• **提升數(shù)據(jù)吞吐量：**能量集中定向發(fā)送信號(hào)，使得在特定方向上可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。
• **增加傳輸距離：**通過(guò)集中能量，可以在更遠(yuǎn)的距離上保持信號(hào)的有效性。
• **空間濾波功能：**能夠識(shí)別并抑制來(lái)自特定方向的干擾信號(hào)和噪聲。

波束成形技術(shù)原理

在了解了波束成形的背景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)后，大家可能會(huì)產(chǎn)生**疑問(wèn)：那么應(yīng)該怎么才能實(shí)現(xiàn)波束成形呢？接下來(lái)，我將以均勻天線陣列（Uniform Linear Array, ULA）**為例，講述如何實(shí)現(xiàn)波束成形。

為了便于理解，假設(shè)均勻天線陣列和接收機(jī)處于遠(yuǎn)場(chǎng)通信場(chǎng)景，即天線發(fā)出信號(hào)以平面波形式向外輻射。定義均勻線陣相鄰天線之間的距離為d，定義信號(hào)方向與天線陣列間的夾角為θ，若以第一個(gè)天線單元（標(biāo)記為0）為零相位參考點(diǎn)，后面每個(gè)天線單元較參考天線單元而言存在nd，n=1,2,...,N-1的間距，而針對(duì)電磁波傳輸路徑而言，從標(biāo)記為1的天線往后，電磁波到達(dá)各天線時(shí)均存在ndsinθ,n=1,2,...,N-1的路程差。因此平面電磁波到達(dá)各天線時(shí)將存在不同的相位差，用**陣列導(dǎo)向矢量**可表示為：

在獲得ULA的陣列導(dǎo)向矢量之后，核心問(wèn)題就是如何通過(guò)對(duì)天線陣列各單元施加加權(quán)因子（幅度與相位），使得在期望方向上的信號(hào)得到相干疊加增強(qiáng)，而在非期望方向上的信號(hào)產(chǎn)生干涉和抑制減弱，從而實(shí)現(xiàn)定向波束指向或定向波束覆蓋。

定義陣列加權(quán)向量為w = [w0, w1, ... wN-1]T

，將陣列導(dǎo)向矢量與加權(quán)向量進(jìn)行點(diǎn)積，即可得到在該加權(quán)因子作用下的陣列響應(yīng)（波束成形輸出）：

其中，WH表示加權(quán)向量的共軛轉(zhuǎn)置。

此外，針對(duì)均勻平面陣列（Uniform Planar Array, UPA）的分析和ULA幾乎相同，只不過(guò)此時(shí)陣列是二維分布的，常見(jiàn)于 5G Massive MIMO 天線陣列、毫米波通信等。首先假設(shè)UPA在x軸方向有Nx個(gè)陣元，在y軸方向有Ny個(gè)陣元，陣元間距分別為dx和dy。假設(shè)平面波從方向角(Φ,θ)入射/發(fā)射（其中Φ表示方位角，θ表示仰角）。則對(duì)于位于(m,n)位置的陣元（其中m=0,1,...,Nx-1;n=0,1,...,Ny-1），其相位延遲為：

因此，UPA的陣列導(dǎo)向矢量可以寫為：

也可以表示為Kronecker積的形式（便于計(jì)算）：

其中：

ULA一樣，UPA的波束成形也可通過(guò)加權(quán)向量W=[w0,0,w0,1,...,wNx-1,Ny-1]T與導(dǎo)向矢量a(θ,Φ)的內(nèi)積實(shí)現(xiàn)。那么在方向(θ,Φ)上的陣列響應(yīng)（波束成形輸出）：

參考資料：https://zhuanlan.zhihu.com/p/583424603

德思特Vaunix LBM-7250-4 Butler Matrix

要實(shí)現(xiàn)波束成形，就需要一個(gè)核心部件來(lái)精確控制各天線單元的相位。在多種實(shí)現(xiàn)方式中，Butler Matrix作為一種經(jīng)典且高效的無(wú)源波束成形網(wǎng)絡(luò)，以其無(wú)需復(fù)雜算法、穩(wěn)定可靠、即插即用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在模擬波束成形領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。它能夠賦予不同輸入端口與輸出端口間的信號(hào)精確的相位差，從而在空間形成多個(gè)固定的、高指向性的波束。 下面將展示德思特Vaunix推出的LBM-7250-4 Butler Matrix，旨在為研發(fā)與測(cè)試人員提供一款前所未有的高效工具 。下圖所示為L(zhǎng)BM-7250-4 Butler Matrix的相位映射圖。

觀察相位映射圖可知，橫向表頭1，2，3，4表示LBM-7250-4的4個(gè)輸出端口，縱向表頭1R，2R，1L，2L表示4個(gè)輸入端口，其中 “R” 和 “L” 是習(xí)慣命名，分別代表波束指向天線陣列的右側(cè)（Right）和左側(cè)（Left）。下面以一組簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)從信號(hào)從端口 “1R” 輸入，則4個(gè)輸出端口的相對(duì)相移分別為-45°、-90°、-135°、-180°，其相位相差Δφ=45°。根據(jù)天線理論，對(duì)于ULA，相鄰單元間的相位差Δφ與波束指向角θ間滿足公式：

若此時(shí)相鄰天線單元間隔為半波長(zhǎng)，將相位差代入，計(jì)算可得到：

因此，一個(gè)N×N的巴特勒矩陣可以產(chǎn)生N個(gè)波束，每個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入端口。

相關(guān)產(chǎn)品

德思特Vaunix巴特勒矩陣TS-LBM-7250-4 Butler Matrix

• 寬頻率范圍 ：2400 – 7250 MHz，覆蓋了Wi-Fi、4G/5G頻段等關(guān)鍵無(wú)線頻段。
• 多波束配置 ：4x4 端口（4個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)4個(gè)固定波束方向）。
• 卓越性能 ：低插入損耗、優(yōu)異的幅度和相位穩(wěn)定性。
• **便攜性與易用性：**采用小巧尺寸和USB供電，徹底擺脫笨重的機(jī)箱和外部電源。
• **控制軟件：**可通過(guò)圖形化軟件或編程接口（DLL, LabVIEW, Python等）輕松控制、快速切換波束。
• 同步功能 ：多臺(tái)設(shè)備可同步工作，以構(gòu)建更復(fù)雜的大規(guī)模天線測(cè)試系統(tǒng)或ATE測(cè)試系統(tǒng)。

審核編輯 黃宇