什麼是波束成形？

波束成形是將電磁波束作為無線訊號形成並導向的過程，用於為天線製造空間分集。波束成形的核心是在天線暨接收器系統中形成並控制波束，將能量指向特定方向的接收器，同時防止能量散播至他處。

如果沒有波束成形，電磁訊號如射頻電波就會從發射器向全方向散播，無法做任何控制。這會導致目標接收端的接收器準確度降低，訊號雜訊比也偏低。

波束成形與波束導向密切相關。雖然這兩個術語經常互換使用，但波束成形是先形成像鉛筆一樣的波束，然後朝特定方向推動波束，而波束導向則是持續更新波束特性，以跟隨接收裝置並回應環境變化。

波束成形會控制天線陣列中多個訊號來源的相位和振幅，以建立單一個集中波束或多個同步波束。

此相位和振幅會套用至每個訊號流層級，這可能是個別的天線，或是在多個天線結合形成子陣列之處。

為進行波束導引，來自獨立訊號源 (天線) 的訊號會被設定成在所需方向上疊加其輻射能量，同時也會在其他方向形成零點。零點會在輻射能量極少的方向產生，代表接收陣列幾乎沒有靈敏度的方向。

建構和指向波束的過程有三大要素：

• 空間訊號處理：分析初始訊號的空間特性和相對相位。
• 調整訊號：根據初始分析來動態調整每個天線的增益和相位。
• 訊號結合：將來自所有天線元件的訊號相結合，聚集形成指向接收器的波束。在此階段，也能消除對於其他方向的干擾。

由於發射器和接收器互相配合運作，因此接收器在接收訊號的時機與方式也扮演了重要角色。接收器可藉由延遲陣列中每一個天線收到的個別訊號，來控制天線系統的靈敏度模式。控制訊號的延遲時間等於控制相位，因為頻域中的相位與時域中的延遲時間類似。控制延遲時間/相位，就能變更波前，以指向所需方向並最大化其結合。

同時，透過調控所接收的訊號振幅，能抑制陣列模式旁波瓣來減少傳往非預期方向的能量，藉此控制每一個天線元件 (即調整其強度) 以最大化所需方向的訊號。如此可改善所需方向的訊號強度與訊號品質，同時抑制傳向不需要方向的訊號。這能降低陣列在傳送模式時干擾其他 RF 系統的機率，也能緩和其對於所需訊源方向之外其他潛在干擾來源的靈敏度。這在配備大量天線的大型相位陣列架構非常重要，因為會使用多個波束來追蹤並處理多個無線使用者和通訊系統。

許多波束成形技術是用於產生、控制和指向聚焦的能量波束。

窄頻波束成形

窄頻波束成形是其中一種比較簡單的技術。它使用特定的單一頻率，提供明確成形的波束，且假定此波束在所有天線元件中心頻率皆相同。它通常用於聲納技術和窄頻通訊系統。

寬頻波束成形

寬頻波束形成較難控制，因為頻率分布在較寬的波段，單一相位偏移就可能導致訊號波束模糊。進入天線的訊號需要透過變更相位或頻率來調整頻寬。如果沒有調整，就可能會影響相位陣列中各元件的有效間距，造成波束傾斜 (一種可能致使波束非預期改變方向的現象)。如果無法在發射器端控制頻寬，將會發出寬頻訊號 (並同時瞄準中心頻率)，然後由接收器端的下游訊號處理則需對寬波段進行補償。寬頻波束成形通常用於雷達系統和 MU-MIMO 波束成形通訊系統。

強制歸零波束成形

強制歸零波束成形的核心技術就是歸零控制：將其他訊號歸零以減少干擾。在形成適當的波束成形頻道相位時，會在波束成形條件中套用歸零位置做為限制，如此即可在合成訊號時，為歸零方向產生複合訊號抵消。歸零會併入在陣列每一個元件所套用的相位條件。這通常用於防止他人干擾全球定位訊號，尤其是在軍事與國防產業。

自適應波束成形

自適應波束成形可動態調整相位陣列的方向模式，進而強化訊號的傳輸。它能將雜訊降至最低，並將所需訊號最大化。這種波束成形技術廣泛應用於 5G 網路。在使用自適應波束成形的通訊中，會預先協定一個標準訊號，並以固定間隔時間 (例如每毫秒) 向寬頻頻率傳送導引訊號，接收器則會估算頻道在整個頻段的分布情況。

混合波束成形

混合波束成形結合類比波束成形和數位波束成形。混合波束成形在大型陣列中使用類比和數位元件。它也主要用於 5G 和毫米波 (mmWave) 通訊系統，由類比發射器傳送訊號，但由數位接收器將收到的訊號當作數位訊號處理。混合波束成形能將類比波束成形套用於「看向」固定但各自不同位置的子陣列，然後將所有訊號結合至較少數量的數位接收器，進而降低數位處理的複雜度。如此一來，此系統的數位接收器就能專注於特定空間區域。相較於全數位波束成形系統，混合波束成形方法可以用較低成本和較低的複雜性實現高資料速率。

波束成形雖已在許多以通訊和感測器為基礎的應用領域成為關鍵技術，但就像其他任何技術一樣，也同樣有其優點和限制。

波束成形的優點

• 提供高度的空間控制能力，以引導波束能量而不浪費能量 (即因傳送至沒有接收器的位置而浪費的能量)。
• 讓相位陣列能使用多波束控制。
• 精準成形並指向無線訊號 (無線電頻率電波)，為不同通訊系統提供高速且低延遲的連線能力。
• 為發射器提供一種將波束聚焦於多樣裝置的方法，包括物聯網 (IoT)、行動裝置和車輛。
• 為軍事應用提供低偵測與防干擾功能。
• 允許重複使用頻譜以形成多個波束。
• 透過多來源陣列系統，為個別發射器或接收器故障提供復原能力。

波束成形的限制

• 複雜的系統需要大量硬體元件，包括放大器、移相器、轉換器和數位訊號處理單元。
• 波束成形技術 (特別是數位波束成形技術) 並不便宜，但隨著硬體成本下降，其成本正逐漸降低。
• 環境發生變化時，可能因調適能力上的限制而產生問題。
• 數位波束成形的進階波束成形演算法，其運算成本可能相當昂貴。
• 在運作過程中，可能會發生波束傾斜和自我歸零。

目前已有多種波束實際獲得運用，從光線、射頻到其他電磁波，波束成形技術可用於多種產業與應用領域。

醫療應用

波束成形搭配磁振造影 (MRI) 使用，可因雜訊減少而產生更高清晰度的影像。在 MRI 中，會將個別的傳感器以放射狀放置在病患身旁。然後利用波束成形技術將傳感器的訊號結合，產生高解析度的影像。由於知道所有傳感器的位置，因此系統能選擇性地與成像環境互動，以判斷最終影像應包含哪些元件。

除了醫療成像之外，波束成形也可用於治療癌症病患。許多癌症療程皆使用從相位陣列產生的放射波束 (放射治療)。這些療程運用陣列中的多個放射線來源，將粒子波束匯聚於腫瘤位置。如此一來，就能利用狹窄的聚焦波束殺死癌細胞，並避開周圍的健康細胞不造成傷害。

5G 和 NextG

在 5G 通訊中的波束成形，是用於在基地台與行動裝置之間聚焦無線電波。在都會環境中，訊號可能從地面和建物反射而造成回波和雜訊，這會妨礙接收器必須解讀的訊號。波束成形有助於將波束集中於目標接收器，不受環境影響，而非將訊號向所有方向廣播。如此一來，讓頻譜能供多位使用者重複使用，為使用者確保高資料傳輸率及良好網路涵蓋範圍。

許多平台和套件皆整合了相位陣列天線，可用來將指向特定方向的能量最大化。上面顯示的是一段 HFSS 軟體動畫，呈現動態波束導向的動作，並顯示天線在主機封裝裡的其他零件所形成的電流。

光學波束成形

光學波束成形應用於多工器，將波束朝特定方向形成，以進行訊號傳輸，並以高資料傳輸率切換至多個方向。這也用於衛星對地面光學通訊，從低地球軌道衛星以非常精準控制的光學波束傳輸給地面的基地台。

相控陣列天線越來越常見於衛星通訊與雷達應用，以減少所需的機械轉向，並同時為天線系統提供靈活度。這段 HFSS 軟體模擬動畫顯示的輻射模式當中，即包括了與主衛星載具進行的電磁交互作用。

雷達

在雷達應用中，波束成形聚焦於移動目標，並使用天線陣列中的不同天線來調整/適應任何變化。雷達常常能夠預測目標未來的位置，以將波束變更至不同定點，持續將能量聚集於目標。透過演算法和回饋循環，即可利用目標的歷史資料來判斷可能的軌跡，進而追蹤目標本身。

天線波束導向具有實務上的應用，可更新訊號增益方向，以補償主機載具的運動。這段 HFSS 軟體動畫呈現了天線波束成形的電磁耦合，以及載具運動補償的功能。

在理想的世界中，工程師在最終產品實現之前，僅需做最低限度的實體測試。模擬可藉由虛擬方式模擬天線及將進行運作的環境，協助減少所需的實體迭代開發週期。這可讓天線的設計精準到僅需製作一次原型，進而節省失敗原型的時間與金錢。同時也能回答比單靠實體測試所能發現的更多設計問題。

模擬有助於：

• 測試天線設計在預定的製程技術表現。
• 測試可能發生的製造錯誤。
• 分析天線在真實世界情境的效能，包括極端環境 (例如美國加州的死亡谷，或是在太空) 和應用領域情境 (例如將天線安裝於軍機以監測其效能，或測試在都市環境不同位置的無線網路涵蓋範圍)。
• 測試基礎材料在不同情況下的物理表現及特性。
• 測試天線系統在發生個別頻道障礙時能否從容降低效能。這有助於制定策略並排定維修作業，以將對於運作中系統的影響降至最低。

Ansys 提供多種工具可用來回答這些問題：

• Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體：用於設計裝置和整合層級以及相位陣列的高頻技術，在其中計算所有必要的重量以將波束聚焦於特定方向。
• Ansys Icepak 電子散熱模擬軟體：用於測量天線系統周圍的熱對流，並為該應用開發冷卻系統。
• Ansys Fluent 流體模擬軟體：用於模擬流體冷卻、空氣冷卻與水冷系統，以確保電晶體和晶片能以最佳狀態運作，防止燒毀。
• Ansys RF Channel Modeler 高傳真度無線頻道建模軟體：用於結合天線系統數位孿生與大規模環境數位孿生，以分析 RF 陣列在真實世界情境中的運作方式。

波束成形技術雖已讓許多天線系統大幅提升效能，然而數位波束成形技術的進步，更已開始引領新一代通訊技術的開發。

這是因為訊號會盡快被轉換為數位格式，然後用高速數位處理器建立多個波束，以搜尋任何所需的方向。一旦經過充分的基頻處理，就能將相位和振幅套用至所有使用者，使其各自擁有自己獨特的波束。

雖然 5G 目前已受益於波束成形，但數位波束成形將帶來 6G 技術、更先進的雷達系統、多使用者多輸入多輸出 (mu-MIMO) 波束成形，以及全像投影波束成形的技術。

如果您想瞭解如何利用不同波束成形方法來設計更先進的天線陣列和通訊系統，請立即聯絡我們的技術團隊。

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