BeamForming

BeamForming

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最近兴起的一个概念叫“波束成型技术”的东西，在各大高端路由器的广告中出现：

其实这个技术本身并不算新鲜，而且已经被非常广泛的应用在天文观测领域，要具体了解什么是BeamForming，以及这玩儿在我路由器上到底有没有用，我们需要从天线讲起。

基本的天线分类可以把天线分成两种

（1）全向天线

（2）定向天线

其中 全向天线 比较常见普通路由器上的单个天线单元都是一个全向天线，全向天线的特点是，在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。这种天线成本低，有效距离比较近，覆盖角度广。

而 定向天线 ，其实也比较常见，比如说：抛物面反射天线（通常说的“天线锅”）。比如这种：

还有这种：

以及老式的八目天线。这种天线的特点是在特定的方向增益大。从天线增益的角分布看，这种天线在某一个或者几个角度上的增益很强，这些方向叫做“波瓣”，其中最强的一个波瓣是这个天线的主瓣，定向天线的主瓣通常聚集了整个天线的大部分增益，评价一个定向天线好坏的很重要的一个指标就是主瓣增益。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。

封面上的这两张图分别是澳大利亚纳拉布里望远镜（CSIRO Australia Telescope Narrabri），以及某品牌的天线。其中抛物电面的射电望远镜就是为了是的增益在角度上更加集中，尽可能的在单个天线上消除旁瓣影响，而路由器上的每个天线单元就是一个全向天线，为了做到更广的角度覆盖。

其实，全向天线除了可以是特定形状的反射面把波反射到馈源这种形式，还可以是多个全向天线的组合。简单起见，我们考虑一维同相位的情况，把多个相同增益（或不同增益）的全向天线组合起来的组合增益的一维角分布如下图所示：

上图中的天线增益角分布中可以看出，多个全向天线的组合增益可以是定向天线增益，相同天线阵的不同增益组合会得到不同的旁瓣强度和主瓣宽度。其实多个定向天线的组合（比如封面上的澳大利亚密集阵列望远镜）也可以起到增强方向性的作用。

看到这里，你有可能会想，现在路由器上的天线是越来越多，这是不是为了组个天线阵给我搞个信号定向发送

是的没错（至少从广告上看是这样的。。。）

所以这个BeamForming到底是啥东西？多几根天线就能定向发信号了？我换个位置咋整？需不需要掰一掰天线？

划重点：

BeamFroming 就是有多个天线，可以调节各个天线接受（或发射）信号的相位，使其在特定的方向接受（或发射）的信号增益变强，达到高角分辨率观测或者定向传输信号的目的。

接下来我来尽可能通俗易懂的解释一下BeamForming的工作方式（参考LOFAR（荷兰的 Lo w F requency Ar ray 低频射射电观测阵）的工作方式）：

首先，我们有天线：

这里是一个带地面反射的天线，图中蓝色的线是它的增益角分布。

有若干这样的天线，规律排布组成一个阵列。

黑色的线是延迟线，目的是控制信号在传输过程中的延迟对于所有天线是相同的，在这种情况下，天线接收到的主瓣方向的无穷远方向的信号是相干的（同相位），会被增强，图中虚线是等相面:

而接收到的其他角度的信号是不相干（不同相位）的:

所以会被削弱，这就得到了一个主瓣更强更窄的增益角分布：

这回答了上面的其中一个问题，多几个天线就可以定向发射（或者接受）信号了。

但是，这种等延迟的增强仅仅对于固定方向的信号有很强增益，要是换个方向呢？

~： 换相位

只需要在以前的天线后端加上一个延迟，让它们延迟不同的相位就可以使得信号在一个特定角度上是相干的，这个时候等相面和这个方向垂直。

事实上在实际的应用中，延迟并不是靠延迟线的长短来调节，而是依靠数字电路来完成：

所以，天线阵在接受相位可控的情况下，理论上是可以在不改变天线位形（不掰路由器天线）的情况下，使得天线的增益主瓣指向多个方向。

这是一种全新的射电成像观测模式：

相对传统一些的射电望远镜的工作模式是天线的抛物面是活动的（如图）

这个就比较麻烦，需要改变抛物面的指向，来获得不同角方向的，而通常改变指向需要的时间比较长，这对于观测宇宙辐射背景等等一些静态的辐射是OK的，但是对于那种高动态的，比如说太阳射电活动的成像就没有办法了，可能一个事件已经结束了天线还没有完成扫描。

而这种BeamForming的观测模式，就很稳。

这种数字调整延迟的工作模式可以使天线阵的Beam（主瓣顶点）在几乎同时指向多个不同方向，记录对应方向的相干强度进行综合孔径成像（这个比较复杂，后面专门写一篇来介绍综合孔径）。从而可以得到时间分辨率很高的射电成像结果。

一个例子：

LOFAR 在2017年发表在nature communication上的结果

[ ]

图上黑圆圈是太阳的光球边缘，一个x就是一个成像的Beam，图中的颜色就是射电辐射通量。这个工作就是对于一个射电爆发的成像结果的动态过程进行的研究。

这就是革命性的技术带来的革命性的结果。

嗯，我们回到路由器，是不是很多天线可以让我信号更好？

理论上说是这样的，天线越多越长对应基线就长，基线长带来的好处是方向性强，在有用的方向增强增益，在没用的方向降低增益，这个对beamforming是优势情况，所以天线展得越开，根数越多越好。

然后，关于效果我们来做一下微小的计算，WiFi信号频率是2.4GHz，所以波长是：

12.5厘米

然后瑞利极限，就是波的角分辨率极限：

现在D是多少呢，两个天线之间的距离大概有6cm吧那这里的角分辨率是2.5个弧度，也就是145度。嗯，145度，这个角分辨率大概就能区分个前后吧，其实在路由器背面放个大铁网也有类似的效果，或者说路由器前后分别有人上网那分布又接近各向同性了。

（经评论区提示，对于5GHz和大点路由器的最远天线端点30cm，主瓣宽度可以到20度，信号增益可以提高几个dB，这个有时候就是信号满格和没有信号的区别）

波束成型的路由器能让我网速更快吗？

买路由器主要还是要看lan口wan口带宽，看支持不支持5GHz，看支不支持ipv6。别看那些花里胡哨的。想做大面积覆盖老老实实用大功率天线或接AP（中继放大）。

【以上关于路由器的技术评论仅代表个人片面观点，不做专业参考】

【文中画图用到的matlab代码放在github上了

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