通信天線的未來(lái)：天線系統(tǒng)的先進(jìn)應(yīng)用

先進(jìn)的天線系統(tǒng)在現(xiàn)代通信中起著至關(guān)重要的作用。它們確保了地對(duì)地和地對(duì)空通信系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接。在不斷演變的通信天線領(lǐng)域中，對(duì)提高性能的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)。通信天線的進(jìn)步和可用電磁頻譜的擴(kuò)展為提高信號(hào)速度、增加網(wǎng)絡(luò)容量和增強(qiáng)覆蓋范圍鋪平了道路。本文將探討諸如MIMO和分布式天線系統(tǒng)（DAS）等尖端技術(shù)，這些技術(shù)使得航空航天和地對(duì)地應(yīng)用中的無(wú)線通信進(jìn)入了現(xiàn)代時(shí)代。

天線系統(tǒng)依賴(lài)MIMO技術(shù)

過(guò)去，便攜式收音機(jī)背面只有一個(gè)可伸縮的天線。如今，許多現(xiàn)代天線系統(tǒng)采用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。MIMO利用多個(gè)天線同時(shí)在發(fā)射器和接收器處工作，以提高信號(hào)的數(shù)據(jù)吞吐量并改善其可靠性。通過(guò)空間復(fù)用技術(shù)，MIMO允許在相同頻帶上同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流。標(biāo)準(zhǔn)的MIMO通常使用2至6個(gè)發(fā)射天線和接收天線來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

擁有多個(gè)天線的衛(wèi)星和航空航天系統(tǒng)可以利用MIMO技術(shù)來(lái)提高地對(duì)空通信的數(shù)據(jù)傳輸速率和質(zhì)量。MIMO在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻流傳輸和數(shù)據(jù)密集型通信應(yīng)用中尤為有用。

大規(guī)模MIMO（簡(jiǎn)稱(chēng)為mMIMO）顯著擴(kuò)展了之前一代MIMO的規(guī)模。例如，愛(ài)立信（Ericsson）推出的現(xiàn)代mMIMO網(wǎng)絡(luò)天線，如AIR 6476產(chǎn)品，具備64個(gè)發(fā)射器和64個(gè)接收器支路。

mMIMO技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支持者。它可以在無(wú)線基站部署許多天線，增加網(wǎng)絡(luò)容量并提供更好的覆蓋范圍。先進(jìn)的天線軟件可以控制這些大規(guī)模MIMO陣列，感知干擾，智能地形成網(wǎng)絡(luò)分布單元并減少小區(qū)間干擾。

多路復(fù)用增加信號(hào)強(qiáng)度

多路復(fù)用是MIMO系統(tǒng)中常用的一種技術(shù)，用于通過(guò)不同的天線以相同或不同的頻率傳輸多個(gè)獨(dú)立的信息“流”。這些數(shù)據(jù)流隨后由獨(dú)立的天線接收，每個(gè)信號(hào)重新組合成原始信號(hào)。由于每個(gè)信號(hào)在天線之間傳播時(shí)都會(huì)有自己的信道失真，接收MIMO天線必須使用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)調(diào)整各個(gè)信號(hào)流的失真，以重建原始信號(hào)。

多路復(fù)用技術(shù)，如正交振幅調(diào)制（QAM），可以增加整體信號(hào)強(qiáng)度并提高天線組件之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。QAM可以同時(shí)通過(guò)多個(gè)天線信道傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步增加整個(gè)天線系統(tǒng)可傳輸?shù)目傂诺罃?shù)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，QAM尤其有用，例如Starlink系統(tǒng)，因?yàn)橛邢薜念l譜必須有效利用，以適應(yīng)多個(gè)用戶(hù)和高數(shù)據(jù)傳輸速率。

每個(gè)單獨(dú)的天線在每赫茲的傳輸數(shù)據(jù)量是固定的。通過(guò)將單一大信號(hào)分成適合單個(gè)天線容量的較小“流”，可以通過(guò)許多較小的天線動(dòng)態(tài)地傳輸大數(shù)據(jù)信號(hào)。QAM旨在將單一天線信號(hào)分解為多個(gè)較小的數(shù)據(jù)流。多個(gè)天線可以通過(guò)添加相同信號(hào)頻率的附加信道來(lái)增加帶寬，并通過(guò)波束成形增加準(zhǔn)確性。

多路復(fù)用功能最初是為4G LTE開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在在5G中起著至關(guān)重要的作用，它能夠在保持天線和頻譜效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

空間多樣性有助于信號(hào)覆蓋長(zhǎng)距離

覆蓋大范圍的無(wú)線信號(hào)可能會(huì)受到衰落現(xiàn)象或受到障礙物或電磁干擾的影響。空間多樣性編碼技術(shù)可以被視為冗余的多通道通信。這些技術(shù)用于通過(guò)多個(gè)物理上分離的發(fā)射天線（即使已經(jīng)進(jìn)行了多路復(fù)用）發(fā)送多個(gè)相同信號(hào)的副本。

此外，多個(gè)物理上分離的接收天線接收這些復(fù)制的信號(hào)，盡管這些信號(hào)可能已經(jīng)被破壞。然而，由于信號(hào)路徑的不同，每個(gè)單獨(dú)破壞的信號(hào)可以被合并，減少路徑衰落現(xiàn)象的影響，恢復(fù)信號(hào)的可靠性。

考慮到航空航天應(yīng)用中對(duì)長(zhǎng)距離通信的需求，空間多樣性技術(shù)有效地最小化了航空航天通信中信號(hào)衰落和干擾的影響

波束成形有效地發(fā)送信號(hào)

波束成形是一種常見(jiàn)于多天線應(yīng)用（如MIMO和分布式天線系統(tǒng)）的先進(jìn)天線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，其通過(guò)將無(wú)線電信號(hào)聚焦在特定方向上，以增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和容量。天線模式智能調(diào)整，使得個(gè)體電磁波在特定方向上產(chǎn)生正向干擾。這種策略實(shí)現(xiàn)了有針對(duì)性的信號(hào)放大、減少干擾以及最大程度的信號(hào)質(zhì)量。

波束成形通過(guò)調(diào)整單個(gè)射頻信號(hào)通過(guò)多個(gè)天線的相位和增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MIMO應(yīng)用中，每個(gè)天線可以發(fā)送不同的信號(hào)，這些信號(hào)可以合并，并且每個(gè)信號(hào)加權(quán)以及具有自己的相位，從而形成多通道波束。這種波束成形可以使用單個(gè)MIMO天線陣列向多個(gè)方向發(fā)送完全不同的信號(hào)。

波束成形在航空航天通信系統(tǒng)中具有非常重要的意義，特別是對(duì)于地對(duì)空通信，其中功率效率至關(guān)重要。波束成形技術(shù)使得衛(wèi)星或飛機(jī)可以將其傳輸聚焦在特定位置，如地面站或其他飛機(jī)，以最大化信號(hào)質(zhì)量并最小化干擾。

分布式天線系統(tǒng)平均分布信號(hào)覆蓋

雖然現(xiàn)代的單獨(dú)天線組件在增加容量方面表現(xiàn)出色，但單一天線系統(tǒng)可能在所有環(huán)境中都不適用。在信號(hào)穿透性差或存在大量干擾的大型建筑物中，分布式天線系統(tǒng)（DAS）可以提供必要的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。DAS由分布在整個(gè)建筑物中的一系列天線組成，旨在協(xié)調(diào)工作，以最大化連接性并最小化浪費(fèi)信號(hào)。

DAS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是為了增補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)基站（如4G和5G蜂塔），將網(wǎng)絡(luò)延伸到單一天線無(wú)法提供可靠覆蓋的建筑物內(nèi)部。分布式天線系統(tǒng)通常支持所有主要的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，可以概念上類(lèi)比于Wi-Fi信號(hào)擴(kuò)展器，但適用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

DAS可以根據(jù)需要的建筑物規(guī)模而變化，從小型的10,000平方英尺的辦公空間，配備2-4個(gè)蜂窩信號(hào)中繼系統(tǒng)，到超過(guò)500,000平方英尺的高層建筑。室外的分布式天線系統(tǒng)可以覆蓋大型人口密集地區(qū)，包括繁忙的城市街道、動(dòng)物園和活動(dòng)場(chǎng)所。在航空航天應(yīng)用中，DAS系統(tǒng)通常用于大型飛機(jī)，以提供統(tǒng)一的無(wú)線覆蓋和容量。

航空航天應(yīng)用中的通信天線技術(shù)

先進(jìn)的天線技術(shù)在地對(duì)空和地對(duì)地通信系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。可靠和高性能的無(wú)線連接解決方案對(duì)于航空航天應(yīng)用至關(guān)重要，包括衛(wèi)星通信、飛機(jī)對(duì)飛機(jī)通信、飛機(jī)對(duì)地通信以及飛行中乘客通信。隨著航空航天行業(yè)的發(fā)展，這些天線解決方案將在確保滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的通信需求時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用，提供高效、可靠和安全的覆蓋。

天線（Antenna）是一種用于收發(fā)無(wú)線電波或電磁波的裝置。它是無(wú)線通信和電磁波傳輸中的重要組成部分，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線電波，并將無(wú)線電波接收后轉(zhuǎn)換回為電信號(hào)。天線可以用于多種應(yīng)用，如無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、廣播、雷達(dá)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、電視和無(wú)線電等領(lǐng)域。它們?cè)诂F(xiàn)代通信和信息傳輸中起著關(guān)鍵的作用，使我們能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

審核編輯：湯梓紅