生活中的光束，光束也是波束的一種

工程師利用波束已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史。在二戰(zhàn)中，工程師已經(jīng)將波束利用在雷達(dá)中，雷達(dá)通過(guò)掃描波束方向來(lái)探測(cè)整個(gè)空間中所有目標(biāo)的位置。

另一個(gè)例子是衛(wèi)星通訊，也即我們生活中常見(jiàn)用于衛(wèi)星電視的“鍋蓋天線”。衛(wèi)星和地面接收天線的距離非常遠(yuǎn)，信號(hào)衰減非常大，于是衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)能量已經(jīng)非常小。因此，我們需要想方設(shè)法收取衛(wèi)星發(fā)出的每一點(diǎn)信號(hào)能量。當(dāng)衛(wèi)星的信號(hào)向空間全方向輻射時(shí)，絕大多數(shù)能量并沒(méi)有被地面天線接收到，而是被浪費(fèi)了。為了避免這種浪費(fèi)，我們?cè)诮邮蘸桶l(fā)射衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，都會(huì)使用波束。這樣，發(fā)射的電磁波信號(hào)都集中在一個(gè)方向上，只要接收天線能對(duì)準(zhǔn)這個(gè)方向，就可以接收到盡可能多的信號(hào)。

波束的傳統(tǒng)應(yīng)用是雷達(dá)（左）和衛(wèi)星通訊（右）

如何實(shí)現(xiàn)波束成形

光束實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光近似沿直線傳播，衍射能力很弱。然而，在無(wú)線通訊系統(tǒng)中，信號(hào)以衍射能力很強(qiáng)的電磁波的形式存在，所以無(wú)法使用生成光束的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)波束成型，而必須使用其他方法。

無(wú)線通訊電磁波的信號(hào)能量在發(fā)射機(jī)由天線輻射進(jìn)入空氣，并在接收端由天線接收。因此，電磁波的輻射方向由天線的特性決定。天線的方向特性可以由輻射方向圖（即天線發(fā)射的信號(hào)在空間不同方向的幅度）來(lái)描述。

普通的天線的輻射方向圖方向性很弱（即每個(gè)方向的輻射強(qiáng)度都差不多，類似電燈泡），而最基本的形成波束的方法則是使用輻射方向性很強(qiáng)的天線（即瞄準(zhǔn)一個(gè)方向輻射，類似手電筒）。

然而，此類天線往往體積較大，很難安裝到移動(dòng)終端上（想象一下iPhone上安了一個(gè)鍋蓋天線會(huì)是什么樣子）。另外，波束成形需要可以隨著接收端和發(fā)射端之間的相對(duì)位置而改變波束的方向。傳統(tǒng)使用單一天線形成波束的方法需要轉(zhuǎn)動(dòng)天線才能改變波束的方向，而這在手機(jī)上顯然不可能。因此，實(shí)用的波束成形方案使用的是智能天線陣列。

普通天線（方向性弱）和智能天線陣列（方向性強(qiáng)）

智能天線陣列原理并不復(fù)雜。當(dāng)由兩個(gè)波源產(chǎn)生的兩列波互相干涉時(shí)，有的方向兩列波互相增強(qiáng)，而有的方向兩列波正好抵消（如下圖）。

在波束成形中，我們有許多個(gè)波源（即天線陣列），通過(guò)仔細(xì)控制波源發(fā)射的波之間的相對(duì)延時(shí)和幅度我們可以做到電磁波輻射的能量都集中在一個(gè)方向上（即接收機(jī)所在的位置），而在其他地方電磁波輻射能量很?。礈p少了對(duì)其他接收機(jī)的干擾）。

此外天線輻射的方向可以通過(guò)改變波源之間的相對(duì)延時(shí)和幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以輕松跟蹤發(fā)射端和接收端之間相對(duì)位置的改變。