波束成形和AESA天线在卫星通信中的角色

图1，带有一排各向同性辐射器的简化一维平面阵列天线

带有波束成形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波束成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。

什么是波束成形？

波束成形可以根据系统要求以模拟或数字格式执行。稍后我们将更深入地探讨各种架构类型。

波束成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。在下图中，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。波束成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天线的波束成形信号波瓣

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权衡。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。

波束成形类型

混合波束成形结合了模拟和数字波束成形两种方式，在5G毫米波网络中非常流行。它缓解了使用数字波束成形所固有的复杂性，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成形架构并举例说明。

• 模拟波束成形：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。与数字波束成形相比，它更简单、通常更便宜，且功耗更低，但灵活性较差。
• 数字波束成形：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。
• 混合波束成形：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、数字和混合波束成形架构的比较

为帮助区分上述不同类型的波束成形技术，我们提供以下表格进行比较。

表1，波束成形类型比较

浅析波束成形的无线应用

无线通信市场开始向更多采用波束成形技术的卫星通信（SATCOM）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，波束成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，波束成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，借助波束成形技术，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，波束成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。我们将在后续文章中更详细地探讨其中的一些应用。

结语

本文探讨了利用波束成形和AESA技术在卫星非地面网络方面取得的进展。我们发现了波束成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SATCOM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成形在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。

随着这些SATCOM技术的不断进步，它们将在下一代无线通信系统的发展中发挥关键作用，使我们能够更进一步、更可靠地拓展我们的通信边界。

本系列文章其它部分的链接如下：第1篇：现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局》，第2篇：《推动通信发展：低轨卫星在全球无线通信扩展中的角色》

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关于作者

James Cheng，高级产品线经理

James负责Qorvo国防和航空航天领域的小信号产品线，包括模块、LNA、混频器和驱动器。James在射频（RF）和毫米波集成电路领域拥有丰富的行业经验；这些集成电路广泛应用于雷达、卫星通信（SATCOM）、蜂窝及连接性等领域。凭借丰富的经验，他和他的团队能够跳出常规思维，优化RFIC解决方案，助力应对最棘手的RF设计挑战。

David Schnaufer，技术市场传播经理、MBA

David作为Qorvo经验丰富的技术传播人员，担任公司技术团队的公众代言人。他在工程设计、应用工程和市场方面的多元化背景使他能够撰写富有洞察力的技术文章，以帮助设计工程师应对复杂挑战。

Ryan Jennings，卫星通信（SATCOM）与系统工程总监

Ryan负责卫星通信（SATCOM）技术路线图、新产品开发与客户服务。他在商业、情报和国防部门的任务关键型技术领域具备超过25年的经验。Ryan拥有肯塔基大学（University of Kentucky）电子工程学士学位、雷吉斯大学（Regis University）的MBA学位，以及多项与相控阵相关的专利。