先进的天线系统在现代通信中起着至关重要的作用。它们确保地对地和地对空通信系统的无缝连接。随着通信天线的不断发展，对性能改进的需求也呈指数级增长。通信天线的进步和可用电磁频谱的扩展，为提高信号速度、增加网络容量和扩大覆盖范围铺平了道路。本文探讨尖端的先进天线系统技术，如 MIMO 和分布式天线系统 (DAS)，这些技术使现代航空航天和地对地应用中的无线通信成为可能。
天线系统依赖于 MIMO 技术
在便携式收音机背面安装单根可延伸天线的时代已经一去不复返了。如今，许多现代天线系统采用多输入多输出 (MIMO) 技术。MIMO 涉及在发射机和接收机处使用多根天线来增强信号的数据吞吐量并提高其可靠性。利用空间复用，MIMO 允许在同一频带上同时传输多个数据流。标准 MIMO 通常使用 2 到 6 个发射和接收天线来发送和接收数据。
具有多天线的卫星和航空航天系统可以利用 MIMO 技术来提高地对空通信的数据速率和质量。MIMO 对于卫星互联网接入、视频流和数据密集型通信应用特别有用。
大规模 MIMO（简称 mMIMO）显著扩展了上一代 MIMO 的规模。例如，Ericsson 的现代 mMIMO 网络天线，如 AIR 6476 产品，具有 64 个发射机和 64 个接收机分支。
mMIMO 技术是 5G 网络的关键促成因素。利用该技术，可以在一个无线电基站部署许多天线，增加网络容量并提供更好的覆盖范围。先进的天线软件可以控制这些大规模 MIMO 阵列来感知干扰，智能调整网络分布单元，并减少单元间干扰。
多路复用增加信号强度
多路复用是 MIMO 系统中常用的一种技术，用于从不同的天线以相同或不同的频率传输多个特有的信息流。这些数据流随后通过独立的天线接收，每个信号经过重新组合以形成原始信号。考虑到每个信号在天线之间传输时都会有自己的信道失真，接收 MIMO 天线必须使用高级数字信号处理来调整各信号流的失真，以重建原始信号。
多用复用技术，例如正交调幅 (QAM)，可提高整体信号强度，并提高天线组件之间的数据传输速率。QAM 可以同时在多个天线信道上传输数据，进一步增加整个天线系统可以传输的总信道数。QAM 在卫星通信系统中特别有用，例如 Starlink，因为必须有效利用有限的频谱来支持多用户和高数据速率。
单个天线每秒每赫兹可传输的数据量是固定的。通过将单个大信号分割成适合单个天线容量的较小“信号流”，大数据信号可以通过许多较小天线的动态系列来传输。QAM 设计成将单个天线信号分解成多个更小的信号流。多天线可以通过添加相同信号频率的附加信道来增加带宽，并通过波束成形来提高精度。
多路复用功能最初是为 4G LTE 开发的，现在通过支持高速数据传输，同时保持天线和频谱效率，在 5G 中发挥着至关重要的作用。
空间分集有助于信号覆盖长距离
覆盖长距离的无线信号可能会受到衰减现象、障碍物干扰或电磁干扰的影响。空间多样化编码技术可视作冗余的多信道通信。这些技术用于通过多个物理上分离的发射天线（即使已经复用）发送同一信号的多个副本。
此外，物理上相互分离的多个天线会接收到这些重复的信号，即使这些信号很可能已被破坏。然而，考虑到不同的信号路径，可以将每个单独损坏的信号组合起来，减少路径衰减现象的影响并恢复信号可靠性。
鉴于航空航天应用中长距离通信需求的性质，空间分集技术可有效地将航空航天通信的信号衰落和干扰降至最低。
波束成形有效地发送信号
波束成形常见于 MIMO 和分布式天线系统等多天线应用，是一种先进的天线网络优化技术，可将无线电信号集中在特定方向，以增加无线网络的覆盖范围和容量。天线方向图可实现智能调整，以便在非常特定的方向上产生单个电磁波相互之间的正干扰。这种策略能够有针对性地放大信号，减少干扰，并最大限度地提高信号质量。
波束形成是通过调整多个天线输出的单个 RF 信号的相位和增益来实现的。在 MIMO 应用中，每个天线可以发送不同的信号，这些信号可以组合在一起，且每根天线都有自己的增益和相位加权，以创建多通道波束成形。这种类型的波束形成可以使用单个 MIMO 天线阵列在多个方向上发送完全不同的信号。
波束成形与航空航天通信系统密切相关，尤其是空对地通信，在这种通信中，功率效率至关重要。波束形成技术允许卫星或飞机在特定位置进行集中传输，如地面站或其他飞机，以最大限度地提高信号质量并尽量减少干扰。
分布式天线系统均匀地扩展覆盖范围
虽然现代单天线组件在增加容量方面表现出色，但单天线系统可能无法在所有环境下运行。在信号穿透力差或干扰大的大型建筑物中，分布式天线系统 (DAS) 可以提供必要的网络覆盖。DAS 由分布在整个建筑物中的天线网络组成，旨在通过协调最大限度提高连接性并减少信号浪费。
DAS 网络旨在通过将网络扩展到单根天线可能无法提供可靠覆盖的建筑物中，以此补充网络基站，如 4G 和 5G 蜂窝塔。分布式天线系统通常支持所有主要网络运营商，在概念上可以与 Wi-Fi 范围扩展器相提并论，但适用于蜂窝网络。
DAS 的规模各不相同，支持的建筑物包括拥有 2-4 个蜂窝中继系统的 10,000 平方英尺的小型办公空间以及超过 500,000 平方英尺的大型高层建筑。室外分布式天线系统可以覆盖人口密集的大型区域，包括繁忙的城市街道、动物园和活动场所。在航空航天应用中，DAS 系统通常用于大型飞机中，以提供统一的无线覆盖和容量。
航空航天应用的通信天线技术
先进的天线技术在地对空和地对地通信系统中发挥着至关重要的作用。可靠、高性能的无线连接解决方案对于航空航天应用越来越重要，包括卫星、飞机对飞机、飞机对地面和空中乘客通信。随着航空业的发展，这些天线解决方案将有助于确保以高效、可靠和安全的覆盖范围满足日益增长的通信需求。
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