无源多波束天线 （MBA）简介
多波束天线 （MBA）能够产生多个并发且独立的定向波束，其具有高增益，以覆盖预设的角度范围。多波束技术提供了一种解决方案来克服单定向波束天线的低信干涉噪声比 （SINR）和低效率的电调or机械调控的缺点。这也是实现大规模 MIMO 的关键器件。目录 无源多波束天线分类以及工作原理 应用 参考文献 *As shown below👇MBA的分类和原理过去，实用的多波束天线（MBA）主要用于雷达系统和卫星通信。而今，由于MIMO和mm波等技术的联合优势，MBA 可为新一代通信系统的基站和用户终端提供巨大的前景空间，以实现动态可靠的无线链路以实现高速数据传输。无源多波束天线（PMBA）是一类 MBA，无需使用任何有源元件即可在射频域中实现所需的波束成形。通常，PMBA 包含有限数量的良好隔离的 input 端口。每个端口由收发器 （Tx/Rx） 提供支持，控制指向预定义方向的单个窄波束。因此，可以从具有一定物理尺寸的共享孔径同时发射多个光束，以覆盖规定的角度范围。分辨率受波束宽度的限制，而波束的数量决定了覆盖范围。通常，PMBA 的性能由扫描范围、极化、增益、旁瓣电平、带宽、端口隔离和效率来表征。根据系统架构和工作原理，PMBA 可分为三类：1、基于反射器的 PMBA该类PMBA是基于反射器的具有连续孔径的准光学元件，从射线光学的角度比较容易理解。这样的组件基于傅里叶变换，将能量从自由空间传播波重新分配到所需的孔径。如图所示，一个基本的基于反射器的PMBA由一个焦距为F、直径为D的碟形反射器和多个间隔距为d的馈电天线组成。馈源位于反射器的焦点附近。当激励不同的馈电天线时，可以产生指向不同角度的反射波束。关键参数F/D和d决定了光束的分离、相邻光束之间的交叉耦合、反射器的溢出损耗以及由馈电天线之间的相互耦合引起的偏振退化。喇叭天线阵列常被用作馈源，可通过修改反射器的形状、调整馈电天线设计和/或优化反射器和馈电天线之间的相对方向和定位，来改进基于反射器的PMBA的性能。2、基于透镜的 PMBA该类天线将几何光学原理用在 几Hz~300GHz 的无线电频谱范围内，其实现方式可大致分为三类，1、典型的基于透镜的PMBA具有一个连续的孔径，透镜的一侧由馈电天线发射的输入波照射，而透镜的另一侧作为辐射孔径。2、通过离散孔径实现，称为透射阵列或相移表面。通过操纵平面透镜上相移或时间延迟的空间依赖性分布，而不是依靠累积光路来实现孔径上所需的相位校正。这种平面透镜可以看作是对入射波执行离散傅里叶变换的器件，入射波是从不同角度撞击的平面波的线性组合。所需的相移或时间延迟可以通过级联多层印刷金属谐振器或通过在透镜的两个表面之间插入延迟线来实现。3、透镜的输出面可以连接到多个端口，每个端口为一个天线元件或子阵列供电。这些透镜有时有多个焦点，可以根据靴带概念进行设计。这种镜头的一个重要优点，它们可以完全集成到基板中，并连接到传输线或波导输入和输出端口。使用多波束透镜天线的优点在于比反射面天线设计灵活，与反射面天线相比，多波束透镜天线的优点在于有更大的设计自由度，旋转对称性好，而且具有优异的光学特性，同时避免了口径遮挡，缺点是低频透镜天线重量大，损耗高。3、基于波束成形电路的 PMBA无源波束形成电路是一种可以与天线阵列完全集成到单个基板中的常用方法。实现指向不同角度的波束所需的沿线性天线阵列的相位分布是通过相移传输线和定向耦合器获得的。天线的数量决定了角分辨率，而端口的数量是空间选择性的一个因素。由于波束形成网络的色散特性，波束的角度及其相关的波束宽度将随着频率的变化而变化。该类方案中最著名的是 Bulter 矩阵和 Blass 矩阵。典型的波束成形N×M Bulter 矩阵由固定移相器、分频器和 90° 混合耦合器组成，可以产生许多N 从均匀线性阵列 （ULA） 辐射的正交光束M 元素。Blass矩阵是一种更灵活的波束形成电路，它允许产生任意数量的波束，每个波束指向任意位置，甚至具有独特的图案形状。它由N个行波馈线组成，它们连接到另一组M条传输线，作为产生N个光束的ULA的输入端。定向耦合器位于两组线之间的交叉处，在两个连续的耦合器之间使用无损耗移相器。由于这两组线以匹配的负载终止，因此Blass矩阵是一个有损网络，其效率降低，但对光束的正交性要求较宽松。无源多波束天线的前景和挑战随着全球向6G时代迈进，卫星通信将在提供全球高速连接方面发挥关键作用。针对传统卫星天线在覆盖范围和数据速率方面的局限性，研究人员正在开发新的多波束天线设计方法。例如，利用人工智能（AI）技术优化波束激励系数，以实现更高的通信容量和覆盖范围。这些创新的天线设计方法代表了下一代卫星通信系统发展的重要一步。然而，无源多波束天线关键技术的实现也面临着一些挑战，1、透镜结构复杂，对加工精度和公差要求严格无源多波束天线通常包含一个表面波Luneberg透镜和由多个馈点波导组成的阵列。这种复杂的透镜结构要求极高的加工精度和公差控制。传统制造技术虽然可以制作天线，但通常复杂耗时，且需要使用昂贵的设备。因此，如何实现高精度、低公差、高效率、低成本的天线制造成为一大挑战。2、波束赋形与调整技术难度大无源多波束天线通过多个不同指向的波束进行组合和调整，以实现较高的增益和较大的通信范围。然而，波束赋形与调整技术难度大，需要精确控制每个波束的指向和增益，以确保整个天线系统的性能稳定可靠。这要求在设计、制造和测试过程中具备高度的技术水平和专业知识。3、馈电网络设计复杂无源多波束天线通常包含有限个具有良好隔离度的输入端口，每个输入端口都与收发器相连接，以产生固定方向的高增益辐射波束。馈电网络的设计对于天线系统的性能至关重要。然而，馈电网络的设计复杂，需要考虑多种因素，如阻抗匹配、功率分配、相位控制等，以确保信号传输的稳定性和效率。4、频率与带宽限制无源多波束天线的工作频率并不局限于5G毫米波频段，但在实际应用中，频率与带宽的限制也是一大挑战。如何在有限的频谱资源内提高频谱利用率，扩大通信容量，同时保证通信质量和可靠性，是无源多波束天线需要解决的关键问题之一。参考文献 [1] Z. Xu, S. Xu, Y. Shen, S. Xue, and S. Hu, “Gain Enhancement of Dual-Polarized 2-D Multibeam Antenna With Transmitarray,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 10, pp. 7574–7583, Oct. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3442293.[2] 雷柳洁, “高通量卫星中的反射面多波束天线合成波束技术研究,” 博士学位论文, 中国航天科技集团公司第五研究院西安分院, 2023. doi: 10.27901/d.cnki.ghtxa.2023.000001.[3] 赵书宽, “面向多波束天线的波束形成技术研究,” 博士学位论文, 西安电子科技大学, 2022. doi: 10.27389/d.cnki.gxadu.2022.003169.[4] W. Hong et al., “Multibeam Antenna Technologies for 5G Wireless Communications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 12, pp. 6231–6249, Dec. 2017, doi: 10.1109/TAP.2017.2712819. 来源：微波工程仿真
