到底什么是波束成形？

在阵列天线领域中，波束成形也称空间滤波，是一种通过定向信号收发无线电波或声波的信号处理技术。波束成形的用途见于雷达和声纳系统、无线通信、声学以及生物医学设备。通常，波束成形和波束扫描的实现方式是通过将馈源与天线阵列的每一振子之间的相位关系，设置成使得所有振子收发的信号在特定方向上均同相。发射时，波束成形器通过控制每一台发射机的信号相位和相对幅度，在波阵面上形成相长干涉和相消干涉模式。接收时，传感器组合方式可使得所需辐射模式被优先接收。

波束成形技术

波束成形技术，用于将波束辐射方向图引导至具有固定响应的所需方向。天线阵列的波束成形和波束扫描可通过相移系统或时滞系统实现。

相移

在窄带系统中，时滞也称相移。在射频（RF）或中频（IF）下，可通过以铁氧体移相器进行相移来实现波束成形。在基频下，可通过数字信号处理实现相移。宽带操作中，由于需要使主波束的方向不随频率变化，因此优选时滞式波束成形。

时滞

时滞可通过改变传输线长度的方式引入。与相移的情形一致，时滞可在射频（RF）或中频（IF）下引入，如此引入的时滞在较宽的频率范围内均能良好运行。然而，时间扫描阵列的带宽受振子带宽和振子电气间距的限制。当工作频率增大时，振子间的电气间距随之增大，从而导致波束宽度在高频下发生一定程度的窄化。当频率进一步增大时，还将最终导致栅瓣现象。在相控阵列中，当波束成形方向超出主波束最大值时，便会产生栅瓣，该现象使得主波束的分布发生错误。因此，为了避免发生栅瓣现象，天线振子必须具有合适的间距。

权重

权重向量是一种复向量，其幅度分量决定旁瓣电平与主波束宽度，而相位分量决定主波束角度与零深位置。窄带阵列的相位权重由移相器施加。

波束成形设计

能够通过改变自身辐射方向图而适应射频环境的天线，称为有源相控阵天线。波束成形设计可包括巴特勒（Butler）矩阵、伯拉斯（Blass）矩阵以及伍伦韦伯（Wullenweber）天线阵列等。

巴特勒矩阵

巴特勒矩阵将90°电桥与移相器结合，从而可在振子设计和方向图合适的情况下实现宽达360°的覆盖扇区。其中，每一波束均可由专用发射机或接收机使用，或者由射频开关控制的单个发射机或接收机使用。通过这种控制方式，巴特勒矩阵可用于对圆形阵列的波束进行控制。

伯拉斯矩阵

伯拉斯矩阵利用传输线和定向耦合器实现时滞式波束成形，用于宽带操作。伯拉斯矩阵可设计为宽边波束形成器，但由于使用电阻性终端，因此损耗较大。

伍伦韦伯天线阵列

伍伦韦伯天线阵列是一种圆形阵列，用于高频（HF）频段的探向应用。此类天线阵列既可采用全向振子，也可采用定向振子，振子数一般为30~100个，其中三分之一专用于顺次形成高定向波束。各振子通过测角仪与可控制天线阵列方向图幅度加权的无线电器件连接，该测角仪能够进行360°扫描，且天线方向图特性几乎不发生任何变化。此外，该天线阵列通过时滞形成从天线阵列向外辐射的波束，从而实现宽带操作。