19、光学在射频波束形成中的应用与优势

光学在射频波束形成中的应用与优势

1. 波束斜视现象与真时延技术

在射频波束形成中，波束斜视现象较为常见。当信号频率偏离宽边时，波束（由带内频率而非载波控制）的方向会随频率发生偏移，即出现斜视。信号带宽越宽，在给定的发射或接收角度下，天线增益随频率的变化就越大。

为了补偿波束斜视现象，如果使用离散移相器，需要施加信道容量约束。目前已经研究了消除波束斜视的方法，其中真时延技术是一种有效的解决方案。

真时延技术通过为相控阵天线的每个单元生成并无缝控制时移调制射频信号，来提高波束形成的精度。该技术基于能够在射频发生器中引入多个渐进时延的元件。通过引入时延技术代替移相器，可以实现多个射频信号的独立控制，并且发射或接收角度可以连续变化。真时延技术的主要优点是由于整个信号频带上的时延分布均匀，减少了波束控制的不确定性，因此可以在不出现波束斜视的情况下适应宽带信号。

然而，真时延技术也存在一些缺点，与传统的移相器解决方案相比，其设计更为复杂。不过，如果采用光子学技术，这些不切实际的设计方案可能会变得可行，原因有二：一是光子学对电磁干扰具有免疫力，二是它本质上是一种宽带技术。通过应用硅光子学技术，可以实现实际的设计。

2. 电子移相方案的局限性与光子学波束形成方案

目前，用于实现波束形成天线的电子解决方案是在每个天线单元应用数字移相。这种方案存在显著的插入损耗和功耗问题，并且存在不可忽视的相位误差（例如，在水平和垂直轴上有几度的误差）。

在 5G 系统中，预计天线阵列中的天线单元数量会增加，上述限制将逐渐影响波束形成系统的运行效率。因此，已经提出了基于光子学的波束形成系统，这些系统可以采用离散移相器或真时延技术。