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波束赋形和AESA天线在卫星通信中的角色

James Cheng、David Schnaufer、Ryan Jennings，Qorvo

这是我们系列文章的第3部分；该系列探讨了低地球轨道（LEO）卫星及其在电信、地球观测、科学研究和国家安全等多个领域中的关键作用。欢迎阅读这一系列的第1部分《现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局》（见本刊24年9/10月号），第2部分《低轨卫星在全球无线通信扩展中的角色》（见本刊24年11/12月号）。本篇文章作为第3部分将深入探讨波束赋形和有源电子扫描阵列（AESA）天线如何主导卫星通信设计趋势，并使该领域的工程人员获益。

波束赋形是一种用于天线阵列的信号处理技术，可实现信号的定向传输或接收。这项技术可以提高信号功率，从而增强性能和效率，因而对于无线通信系统至关重要。

波束赋形、多入多出（MIMO）和AESA是现代无线通信的基础技术，在信号质量、网络效率和用户体验方面带来了显著优势。这些技术的应用范围从移动网络、Wi-Fi到卫星通信和雷达，是推动无线技术进步的关键工具。

什么是有源电子扫描阵列或有源天线？

有源天线，也称为相控阵天线，由多个相干馈电的固定阵列元件组成。为形成电子波束，每个元件都会以适当的相位通电，从而在远场中按所需方向形成相干波束。它利用每个元件的可变相位控制，将波束扫描至空间中的特定角度，如图1所示。这种无移动部件的电子波束转向由每个辐射元件上的集成电路（IC）管理。

图1：带有一排各向同性辐射器的简化一维平面阵列天线

带有波束赋形IC的有源天线具有一种被称为软失效机制的优势，这意味着少数元件的失效通常对整体性能影响甚微。此外，AESA波束赋形天线能够在微秒级时间内引导波束，并支持多个同时且独立可控的波束。由于没有机械部件，这些天线外形小巧、性能可靠。此外，它们还能够引导零点，并具有高度自由性来阻挡干扰源和干扰器，从而实现精确的辐射孔径模式。

对于大多数NTN通信而言，天线在GHz频段内的毫米波（mmWave）范围内工作，如24、26、28、37或39GHz。这些高频波具有较短的波长，使得许多天线元件能够紧凑地安装在高指向性孔径中，从而抵消高路径损耗，如图1所示。高指向性波束还提供了空间分集，允许多个波束复用相同的频谱，从而显著提高系统容量。

什么是波束赋形？

波束赋形可以根据系统要求以模拟或数字格式执行。波束赋形涉及操纵阵列中每个辐射元件上信号的相位和幅度。这种技术使得特定角度的信号获得相干干涉，而其它信号则受到相消干涉。射频（RF）能量由此在特定方向上“聚焦”，形成类似波束的形态，如图2所示。在图2中，我们可以看到天线阵列中的引导波束在给定角度上形成主波瓣，并最小化旁波瓣。波束赋形提高了接收端的信噪比（SNR），减少了多径衰落，并将来自其它方向的干扰降至最低。

图2：使用AESA天线的波束赋形信号波瓣

AESA天线可以使用移相器或时延单元（TDU）来引导信号波束。当然，每种方法都有其利弊。对于具有较大瞬时带宽的系统，TDU可能是更好的选择，以避免波束失真，即所谓的“倾斜”现象，如图3所示。然而，对于较低带宽的系统，移相器已足够，并且是最广泛实施的解决方案。需要注意的是，也有将TDU和移相器结合到同一系统中的架构，这也有助于减少倾斜现象。

图3：波束倾斜/失真

TDU在整个频率范围内表现出恒定的相位斜率，因此可以消除波束倾斜效应。而移相器在工作频率范围内保持恒定相位；但移相器的设置可能会导致不同频率的波束转向角不同，这就是为什么移相器在较窄的系统带宽中表现最佳的原因。

移相器通过近似时延对波束进行电子转向，从而在中心频率上产生最佳波束。然而，移相可能导致最大工作频率下的欠转向和最小工作频率下的过转向。当然，移相器架构的成本效益显著，因此更为常用。

归根结底，这两种方法都能奏效，但工程人员必须权衡利弊，以实现最佳效果。首先要评估阵列大小和瞬时带宽要求，以确定移相器是否足够。其次，评估混合解决方案是否足够；即在元件上使用移相器，而在更大阵列中的某些元件子集后实施TDU。如果瞬时带宽和/或阵列尺寸足够大，则可能需要在每个天线元件上都安装TDU。

波束赋形类型

混合波束赋形结合了模拟和数字波束赋形两种方式，在5G毫米波网络中非常流行。它缓解了使用数字波束赋形所固有的复杂性，并减少了RF链组件，从而简化了整个系统。下面，我们将介绍这三种波束赋形架构并举例说明。

Ÿ   模拟波束赋形：需要在每个天线元件上调整RF信号以将波束导向所需方向。与数字波束赋形相比，它更简单、通常更便宜，且功耗更低，但灵活性较差。

Ÿ   数字波束赋形：每个天线元件连接到自己的数字信号处理器。通过数字方式操控信号来形成和引导波束。这能够实现更精确的控制，并从同一阵列中同时形成多个波束。

Ÿ   混合波束赋形：结合了模拟和数字技术，通常用于纯数字方法成本过高或过于复杂的系统中。

图4：模拟、数字和混合波束赋形架构的比较

为帮助区分上述不同类型的波束赋形技术，表1进行了比较。

表1：波束赋形类型比较

浅析波束赋形的无线应用

无线通信市场开始向更多采用波束赋形技术的卫星通信应用转变，以利用更宽的频段实现更高的数据吞吐量。在蜂窝网络中，波束赋形可以提高带宽效率和覆盖范围，让基站能够将信号集中于单个用户，减少干扰并提升数据速率。在Wi-Fi网络中，波束赋形技术可用于提升信号质量和覆盖范围；尤其是在用户设备众多的拥挤环境中。此外，借助波束赋形技术，卫星通信可精准规划卫星信号的覆盖范围，得以实现对特定区域的定向广播与通信。在雷达系统应用中，波束赋形技术通过将发射脉冲聚焦于特定方向，增强了分辨率和探测范围，提高了目标检测能力。

结语

本文探讨了利用波束赋形和AESA技术在卫星非地面网络方面取得的进展。我们发现了波束赋形如何通过定向电磁能来提升信号质量和效率；这对于移动网络、Wi-Fi和卫星通信举足轻重。借助AESA天线、移相器和TDU，当今的系统能够提供精确可靠的波束引导，从而进一步提升卫星通信中的网络性能、信号覆盖和数据吞吐量。此外我们也了解到，结合了模拟和数字技术的混合波束赋形在5G毫米波网络中尤为有效，同时有助于降低设计复杂性和成本。