什么是波束成形？波束成形、波束形成、波束成型和波束赋形是否相同？
6699
什么是波束成形？波束成形(Beamforming) 是 利用多个天线（相控阵）传输完全相同的信号，极大增强了沿指定方向传输信号的强度。波束成形技术将信号以一种能量集中和定向方式发送给无线终端的技术，能全面改善无线终端接收的信号质量，并提升吞吐量。在Wi-Fi 标准中，从Wi-Fi 4（802.11n）开始引入该技术。
波束成形、波束形成、波束成型和波束赋形意思相同。
波束成形技术
使用多天线即形成一个窄天线波束。相干驱动天线（在天线元件之间会有适当的相位时延）可以形成信号波束。相控阵天线能够使用波束成形网络 (BFN) 中出现的时延，产生沿特定方向传播的均匀波前。均匀波前可以使一组低方向性的天线在发射或接收应用中表现得像高方向性天线一样。信道之间的相位时延决定了天线方向图，如图1所示。时延则改善了接收机的信噪比并降低了该区域的整体干扰。
图1 相控阵天线通过调整相干天线之间的相位来形成波束在传统的波束成形应用中，通过对每条信号路径进行复数加权 (幅度和/或相位) 来 "控制" 天线阵，以便在无线链路上获得最佳信噪比 (SNR)，之后，同时从每个天线阵元传输相同的信号或数据符号。在针对空间分集或者空间复用进行优化的波束成形器中，每个天线阵元同时传输两个数据符号的加权组合。
波束成形技术要求发射机端了解信道特性，在此情形下，可能需要在接收机处对信道进行测量，并将信息发送回发射机。发射机端的信道信息可以是完整的，也可以是不完整的。完整的信道信息意味着发射机知道信道矩阵 [H]。不完整信息可能是指瞬时信道的一些参数，例如信道矩阵的条件数或者与发射和/或接收相关特征关联的统计属性。条件数是最大奇异值与最小奇异值之比。条件数提供对矩阵求逆的精度指示，而这一精度决定了 MIMO复用技术的适用程度。条件数接近 1 (0 dB) 表示良态矩阵，而大于 6 dB 的值表示定义不清的信道矩阵。信号分析仪可以直接测量 MIMO条件数。
一种利用发射机端信道信息的预编码框架如图2 所示。将待发射符号 s0、s1、s2 和 s3 ... 乘以一个加权函数，这个加权函数可以理解为 "波束成形器"。在应用预编码加权后，作为空间复用，同时从两个发射天线发射两个独立的数据流。
图 2. 波束成形发射编码器。如图2 所示，在第一个符号时间内，从上部天线发射的数据 x0 是前两个数据符号 s0 和 s1 的线性组合。在同一时间内，下部天线发射表示这两个符号不同组合的数据 x1，从而有效地使数据速率加倍。这里，发射数据与输入符号的关系由下式表示。
将 2x2 预编码矩阵表示为 [W]，然后用矩阵形式将发射的信号关联
对于这种预编码方案，传输速率的增加数量也与发射 — 接收天线对数成正比，同時这种方案在发射机端增加了灵活性，可以优化无线信道的信号传输，这种附加灵活性也可以提高系统的性能。
波束成形为什么很重要？
波束成形是5G毫米波通信系统中使用的一项关键技术，它使用相控阵天线发送聚焦信号，能够在 FR2（毫米波）频段实现可靠、高效的通信。波束成形集成电路在这个通信系统中发挥着核心作用。
什么是波束成形集成电路？
波束成形集成电路是一个多端口的模块器件，可将多向发射机/接收机模块整合到连有许多天线的射频前端中。这些模块包括移相器、步进衰减器、功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。未来的集成电路还将包括变频器。
为了确保高效和可靠的 5G 毫米波通信，设计人员需要在从设计到验证再到制造的整个工作流程，在线性和非线性条件下对波束成形集成电路的关键元器件进行严格的性能测试。因此，他们必须使用能够在毫米波频段提供高精度测量的测试解决方案，以及能够快速执行元器件级和系统级仿真的仿真工具来进行设计和验证。
用于 5G 毫米波通信的贴片天线
图 3. 四通道波束成形集成电路示例
“MIMO” 和 “波束成形” 一样吗？
绝对不是。
“波束成形”是指对发射无线电信号的方向和“形状”进行操控。
上文描述的 MIMO 天线技术方法中至少有一些涉及利用有源天线阵元的相位关系来“形成”这些波束。因此，MIMO 可以利用波束成形的优势；事实上，全频 MIMO 有两种模式可以严格地用“MIMO 波束成形”来描述。但相控阵波束成形也用于许多非 MIMO 应用中。
图 4 Beamforming example毫米波大规模MIMO系统需要结合大量此类波束成形天线，以显著提高传输容量并减少对相邻用户的干扰。它们结合了复杂的算法和波束控制装置，从而将无线电信号集中起来，为特定应用形成更窄的波束。
相控阵天线技术
相控阵技术远非新技术，已经在各种军事应用中用了几十年了。然而如今，该技术在频段2的5G系统中的应用正迅速获得关注，这是因为该技术能改善信号强度、增益、方向性和带宽等多方面的性能。
相控阵使用多个天线单元，通过改变每个单元的相对相位来控制辐射方向图或波束。通过微波传输线和功率分配器系统连接天线单元。在相控阵天线设计中，利用两个或多个辐射信号之间的干涉或“波束成形”，来控制发射波束的方向。该天线通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号之间的相位差，来实现波束成形。相控阵天线中发射器的数量少则数个，多至数千个。
当来自每个发射器的信号完全同相时，它们会产生干涉，并在特定方向上产生强辐射。辐射方向可通过设置传输到不同发射器的信号相移来控制。而相移则由依次传输到相继发射器的信号之间的微小延迟来控制。使用移相器可以在相控阵天线中合成数百个波束。
相控阵天线有哪些类型？
●线阵列 - 将阵列单元配置在一条直线上，在这种情况下，只需要使用一个移相器。不过，波束方向被限制在一个单平面上。如要形成面天线，则需要在垂直方向上排列多个线阵列天线。
●平面阵列 - 这种阵列中，每个天线都配有一个移相器。通过单天线的矩阵排列，形成平面天线，波束可以在两个平面中偏转。但这种架构需要大量的移相器，增加了复杂性和成本。
●频率扫描阵列 - 这种架构中，天线不需要移相器。波束转向由发射机的频率来控制。
图 5：相控阵天线工作原理最近，同时支持多个波束的数字波束成形技术正在取得进展，该技术用无线网络替换现有电路。无线网络能够重新配置和添加天线阵列单元、具有操作适应性、并提供通过软件升级系统性能的便利性。通过数字波束成形，消除了窄带限制，支持宽带操作。这种单天线架构最终可提供雷达、通信和电子战等所需的多种功能。
相控阵天线应用在军事/航天领域的雷达应用中，相控阵技术提供了更高的性能和灵活性、低剖面、快速重定位以及易于跟踪多目标；对于军事通信，它能够同时接入多个无人机/载具和近地轨道卫星，可支持更快、更具成本效益的信号切换；而电子战用例则包括电子攻击和保护平台。即使在电磁噪声环境中，也能实现干扰信号的方向性控制和敌方信号的精确定位。
此外，在太空中，该技术还能够满足卫星应用中的宽带需求。
然而如今，相控阵技术在5G领域亦处于重要位置。对于5G来说，相控阵天线的关键是在毫米波段实现更宽的带宽、更远覆盖范围和更大容量。毫米波系统在短距离的室内应用中相对容易部署，但在室外部署时，会存在传播损耗、雨水衰减、大气吸收以及高衰减和阴影等问题。
最近的半导体技术进步，产生了更具成本效益的相控阵技术，该技术正被用于卫星、雷达和5G。例如，集成了以皮秒精度同步的、数百个小型天线的Starlink相控阵天线系统。该系统中，在无需机械移动的情况下，只需通过调整每个天线之间的延迟，一台Starlink设备就可以对天空中的多颗卫星实施跟踪。推荐阅读：
系统级设计为相控阵开发提供的四大优势
相控阵天线的开发正在步入新时代；现如今，速度和敏捷性已经是致胜的关键。了解采用电子系统级设计方法为相控阵设计人员带来的四大优势。是德科技 www.keysight.com.cn