物理天线，多天线的增益有哪些？

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发布于 2025-03-24 14:18:30

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通过本文，你可以了解：

什么是物理天线？
什么是收发通道（TRX）？
多天线技术可以获得哪些增益？

1 概述

多天线技术可以定义为在发射机或接收机上使用多个天线并且与信号处理相结合的一系列技术，通过采用多天线技术在传统时域、频域之外，引入空域，提升系统的容量和覆盖。

多天线技术很复杂，从LTE开始就一直是备受关注的技术，协议上也一直在不断的演进。到了5G，系统面临更大的容量需求以及高频引入后的覆盖短板，为了提升容量和覆盖，多天线技术在5G中成为标配的基础技术。

02 偶极子和天线振子

天线组成涉及的基本概念包括偶极子和天线振子。

偶极子：当两个对称的导线张开、距离增大，整个导体尺寸等于波长的一半时，该导体上感应到的无线电刚好处于谐振状态，此时电磁波的辐射效率最高。这个导体叫半波振子，也叫偶极子（Dipole），如图2-1所示。

图2-1 偶极子示意图

5G网络中，对于毫米波，波长是毫米级别，因此天线可以做得很小。在同样大小的天线面板尺寸里，相比低频可以集成更多的天线。

天线振子：偶极子结合反射板，形成单天线振子，它通过反射可以让信号叠加，并且实现定向辐射。

图2-2 天线振子示意图

天线振子是天线的基本构成单元，射频模块设计时通常会根据需要对多个天线振子进行阵列式排布，形成天线阵列。

如图2-3可以看出两个天线振子就可以形成波束，发送功率相等的条件下，天线振子越多，可形成的波束会越窄。

图2-3 天线阵列增益示意图

03 物理天线和天线极化

物理天线由多个天线振子组成。通常把一个功率放大器（PA）连接的所有天线振子称为一个物理天线或天线子阵。下文也将天线子阵称为天线阵子。

常用的物理天线如图3-1所示，1驱n表示一个PA连接n个天线振子。一个物理天线所包含的天线振子数越多，增益越大。

图3-1 物理天线示意图

物理天线上产生的无线电波在传播过程中，电场和磁场在空间相互垂直，同时两者又都垂直于传播方向。通常我们将电场矢量的空间指向称为天线辐射电磁波的极化方向。

图3-2 电磁波的传播方向和极化方向

为了在一个空间内使用更多的天线，并且可以对抗电磁波传播的多径衰落、获得分集的效果，业界通常会使用双极化天线。双极化天线是由两个极化方向正交的天线组成。以地面作为参考面，根据极化方向，双极化天线又分垂直/水平极化和+45°/-45°极化天线。如图4-3所示，图中一个颜色代表一个极化方向的天线阵子。而目前广泛应用的是+45°/-45°的双极化天线。

图3-3 双极化天线

04 天线阵列

多个天线阵子排列形成天线阵列，通常射频模块中使用的是典型的平面阵列，即阵子在平面上呈矩形分布，以获得水平、垂直方向上的波束赋形增益。比如水平方向排列可以获取水平方向的增益，垂直方向排列可以获取垂直方向的增益。

图4-1 天线阵列

1列的天线阵列只能获得垂直方向的增益。其他天线阵列在水平和垂直方向上都存在同向排列的阵子，可以实现立体波束来同时获得水平及垂直方向上的增益，以实现立体覆盖。因此天线阵列结构对覆盖能力有较大的影响。

05 收发通道（TRX）

（1）TRX的概念

收发通道又称为TRX，TRX从发射端的角度来看是将基带信号调制到一个高频载波上然后再发送到无线传播环境中，而从接收端的角度来看就是一个逆过程。如图6-1，TRX包含数字射频链路和模拟射频链路两部分。

图5-1 低频下的TRX结构

5G高频即毫米波时，重新设计了射频链路，一条数字射频链路对应多条模拟射频链路，如图5-2。

图5-2 高频下的TRX结构

（2）TRX和物理天线的关系

下面以低频64TRX（16H4V）射频模块为例，简述该天线阵列中64个物理天线和64个TRX的关系。

32个格子，其中每个格子内为+45°/-45°两个极化方向1驱3的物理天线，因此192个天线振子形成了64个物理天线。
一个1驱3的物理天线对应一条模拟射频链路。对于低频射频模块，其数字射频链路数通常与模拟射频链路一一对应，因此该射频模块为64TRX。
在该射频模块的平面结构上，水平维度的TRX数为8，垂直维度的TRX数为4，而双极化通常被算作水平方向的维度，因此该64TRX的平面结构又称为16H4V。

图5-3 64TRX的射频模块结构

通常通过TRX数目或mHnV来表示射频模块的覆盖能力。m的数目越大，水平方向波束赋形增益越大；n的数目越大，垂直方向波束赋形增益越大。

如图5-4所示，32TRX（16H2V）和64TRX（16H4V）的天线振子数是同样的，均为192个天线振子。16H2V的2V中每个TRX驱动6个天线振子；而16H4V的4V中每个TRX驱动3个天线振子。前者单TRX内天线振子数更多，单物理天线在特定方向上的能量增益会更大；然而TRX数更少，物理天线间在特定方向上汇聚的能量增益会较少。

但对接收端来说，相同功率情况下，相同天线振子数的射频模块最后达到的覆盖增益是基本相当的。而64TRX优点在于可以提供更多方向的波束赋形增益，但缺点为相对32TRX体积大、重量大、成本高。

图5-4 32TRX和64TRX的射频模块结构对比

（3）TRX和波束赋形的关系

5G低频和高频中，由于TRX内射频链路的不同，波束赋形处理方式有所区别。

5G低频时，对于32TRX或64TRX的射频模块，由于TRX/数字射频链路数量多，通过调整不同TRX的数字射频链路的权值可以对信号的幅度和相位进行任意调整，使得各物理天线在特定方向上的发射信号相干叠加，而其他方向的信号则相互抵消，形成带有指向性的窄波束。窄波束可以抑制波束间的干扰，可以通过空分复用提升低频上的信道容量，提升频谱利用率。

这种通过对输入信号进行数字域的数据处理，调节信号的幅度和相位权值形成波束的过程称为数字波束赋形。

图5-5 数字波束赋形示意图

对于mHnV（m>1,n>1）的射频模块，每个TRX都能单独调整权值，使得多个TRX在各个方向上的发射信号可以灵活的进行相干叠加或相互抵消，在各个方向上动态的形成波束，即立体波束赋形。

图5-6 立体波束赋形示意图

5G高频时，由于毫米波频谱资源丰富，通过数字射频链路提升频谱利用率不是毫米波通信首要追求目标，所以TRX数（等于数字射频链路数）较少，一般为2TRX、4TRX。毫米波信号损耗大，解决毫米波信号覆盖成为了首要问题，因此，发射/接收毫米波信号的物理天线数量（等于模拟射频链路数）非常多，而数字射频链路数量将远远小于模拟射频链路数量，通常采用一条数字射频链路上对应多条模拟射频链路的设计方案。

在波束赋形技术方面，采用了数字波束赋形与模拟波束赋形相结合的混合波束赋形技术。结合了数字波束赋形和模拟波束赋形2种技术的优点，在支持幅度调节和相位调节的同时，减少了数字射频链路数，如图5-7所示。