波束赋形的物理学原理,其实就是波的干涉现象。百度百科上定义如下:频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。想象一下,在湖边漫步时,你和女朋友在相距很近的两点激起水波,两朵涟漪不断散开,然后交叠起来,形成了下面的图样。可以看出,有的地方水波增强,有的地方则减弱,并且增强和减弱的地方间隔分布,在最中间的狭窄区域最为明显。如果波峰和波峰,或者波谷和波谷相遇,则能量相加,波峰更高,波谷更深。这种情况叫做相长干涉。反之,如果波峰和波谷相遇,两者则相互抵消,震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉。如果把这个现象抽象一下,可以得到下图:在两个馈源正中间的地方由于相长干涉,能量最强,可以认为形成了一个定向的波束,也叫做主瓣;两边则由于相消干涉能量抵消,形成了零陷,再往两边又是相长干涉,但弱于最中间,因此称作旁瓣。如果我们能继续增强正中央主瓣的能量,使其宽度更窄,并抑制两边的旁瓣,就可以得到干净利落的波束了。其实,普通天线一直在做这样的事情。天线内部排布着一系列的电磁波源,称作振子,或者天线单元。这些天线单元也利用干涉原理来形成定向的波束。由上图可以看出,纵向排列的天线单元越多,最中间的可集中的能量也就越多,波束也就越窄。但这只是一个垂直截面而已,其实完整的波束在空间是三维的,水平和垂直的宽度可能截然不同。下图是一个天线的振子排列,以及辐射能量三维分布图。可以看出,上述天线内振源的排布方式为纵向,横向的数量很少,因此其波束在垂直方向的能量集中,而水平方向的角度还是比较宽的,像一个薄薄的大饼。这种传统的天线水平方向的辐射角度多为60度,进行大面积的地面信号覆盖是一把好手,但要垂直覆盖高楼就有些力不从心了,称作“波束赋形”还是不够格。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****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****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****信号
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波束赋形的基本原理是什么?
关键词: 波束 形的 原理
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