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最近興起的一個概念叫「波束成型技術」的東西，在各大高端路由器的廣告中出現：

其實這個技術本身並不算新鮮，而且已經被非常廣泛的應用在天文觀測領域，要具體了解什麼是BeamForming，以及這玩兒在我路由器上到底有沒有用，我們需要從天線講起。

基本的天線分類可以把天線分成兩種

（1）全向天線

（2）定向天線

其中全向天線比較常見普通路由器上的單個天線單元都是一個全向天線，全向天線的特點是，在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。這種天線成本低，有效距離比較近，覆蓋角度廣。

而定向天線，其實也比較常見，比如說：拋物面反射天線（通常說的「天線鍋」）。比如這種：

還有這種：

以及老式的八目天線。這種天線的特點是在特定的方向增益大。從天線增益的角分布看，這種天線在某一個或者幾個角度上的增益很強，這些方向叫做「波瓣」，其中最強的一個波瓣是這個天線的主瓣，定向天線的主瓣通常聚集了整個天線的大部分增益，評價一個定向天線好壞的很重要的一個指標就是主瓣增益。定向天線在通信系統中一般應用於通信距離遠，覆蓋範圍小，目標密度大，頻率利用率高的環境。

封面上的這兩張圖分別是澳大利亞納拉布里望遠鏡（CSIRO Australia Telescope Narrabri），以及某品牌的天線。其中拋物電面的射電望遠鏡就是為了是的增益在角度上更加集中，儘可能的在單個天線上消除旁瓣影響，而路由器上的每個天線單元就是一個全向天線，為了做到更廣的角度覆蓋。

其實，全向天線除了可以是特定形狀的反射面把波反射到饋源這種形式，還可以是多個全向天線的組合。簡單起見，我們考慮一維同相位的情況，把多個相同增益（或不同增益）的全向天線組合起來的組合增益的一維角分布如下圖所示：

上圖中的天線增益角分布中可以看出，多個全向天線的組合增益可以是定向天線增益，相同天線陣的不同增益組合會得到不同的旁瓣強度和主瓣寬度。其實多個定向天線的組合（比如封面上的澳大利亞密集陣列望遠鏡）也可以起到增強方向性的作用。

看到這裡，你有可能會想，現在路由器上的天線是越來越多，這是不是為了組個天線陣給我搞個信號定向發送

是的沒錯（至少從廣告上看是這樣的。。。）

所以這個BeamForming到底是啥東西？多幾根天線就能定向發信號了？我換個位置咋整？需不需要掰一掰天線？

劃重點：

BeamFroming 就是有多個天線，可以調節各個天線接受（或發射）信號的相位，使其在特定的方向接受（或發射）的信號增益變強，達到高角解析度觀測或者定向傳輸信號的目的。

接下來我來儘可能通俗易懂的解釋一下BeamForming的工作方式（參考LOFAR（荷蘭的 Low Frequency Array 低頻射射電觀測陣）的工作方式）：

首先，我們有天線：

這裡是一個帶地面反射的天線，圖中藍色的線是它的增益角分布。

有若干這樣的天線，規律排布組成一個陣列。

黑色的線是延遲線，目的是控制信號在傳輸過程中的延遲對於所有天線是相同的，在這種情況下，天線接收到的主瓣方向的無窮遠方向的信號是相干的（同相位），會被增強，圖中虛線是等相面:

而接收到的其他角度的信號是不相干（不同相位）的:

所以會被削弱，這就得到了一個主瓣更強更窄的增益角分布：

這回答了上面的其中一個問題，多幾個天線就可以定向發射（或者接受）信號了。

但是，這種等延遲的增強僅僅對於固定方向的信號有很強增益，要是換個方向呢？

~： 換相位

只需要在以前的天線後端加上一個延遲，讓它們延遲不同的相位就可以使得信號在一個特定角度上是相干的，這個時候等相面和這個方向垂直。

事實上在實際的應用中，延遲並不是靠延遲線的長短來調節，而是依靠數字電路來完成：

所以，天線陣在接受相位可控的情況下，理論上是可以在不改變天線位形（不掰路由器天線）的情況下，使得天線的增益主瓣指向多個方向。

這是一種全新的射電成像觀測模式：

相對傳統一些的射電望遠鏡的工作模式是天線的拋物面是活動的（如圖）

這個就比較麻煩，需要改變拋物面的指向，來獲得不同角方向的，而通常改變指向需要的時間比較長，這對於觀測宇宙輻射背景等等一些靜態的輻射是OK的，但是對於那種高動態的，比如說太陽射電活動的成像就沒有辦法了，可能一個事件已經結束了天線還沒有完成掃描。

而這種BeamForming的觀測模式，就很穩。

這種數字調整延遲的工作模式可以使天線陣的Beam（主瓣頂點）在幾乎同時指向多個不同方向，記錄對應方向的相干強度進行綜合孔徑成像（這個比較複雜，後面專門寫一篇來介紹綜合孔徑）。從而可以得到時間解析度很高的射電成像結果。

一個例子：

LOFAR 在2017年發表在nature communication上的結果

[https://www.nature.com/articles/s41467-017-01307-8]

圖上黑圓圈是太陽的光球邊緣，一個x就是一個成像的Beam，圖中的顏色就是射電輻射通量。這個工作就是對於一個射電爆發的成像結果的動態過程進行的研究。

這就是革命性的技術帶來的革命性的結果。

嗯，我們回到路由器，是不是很多天線可以讓我信號更好？

理論上說是這樣的，天線越多越長對應基線就長，基線長帶來的好處是方向性強，在有用的方向增強增益，在沒用的方向降低增益，這個對beamforming是優勢情況，所以天線展得越開，根數越多越好。

然後，關於效果我們來做一下微小的計算，WiFi信號頻率是2.4GHz，所以波長是：

12.5厘米

然後瑞利極限，就是波的角解析度極限：

現在D是多少呢，兩個天線之間的距離大概有6cm吧那這裡的角解析度是2.5個弧度，也就是145度。嗯，145度，這個角解析度大概就能區分個前後吧，其實在路由器背面放個大鐵網也有類似的效果，或者說路由器前後分別有人上網那分布又接近各向同性了。

（經評論區提示，對於5GHz和大點路由器的最遠天線端點30cm，主瓣寬度可以到20度，信號增益可以提高几個dB，這個有時候就是信號滿格和沒有信號的區別）

波束成型的路由器能讓我網速更快嗎？

買路由器主要還是要看lan口wan口帶寬，看支持不支持5GHz，看支不支持ipv6。別看那些花里胡哨的。想做大面積覆蓋老老實實用大功率天線或接AP（中繼放大）。

【以上關於路由器的技術評論僅代表個人片面觀點，不做專業參考】

【文中畫圖用到的matlab代碼放在github上了 https://github.com/Pjer-zhang/radioSynthesis】

【有問題歡迎私戳】

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