上一篇讲波束赋形时，我们知道了"把能量聚成一束手电筒"能换来覆盖和速率。但留了一个更本质的问题没回答：天线板子焊死在铁塔上，一动不动，波束凭什么能指东指西、指天上指楼下？ 答案只有两个字：相位。这篇文章就从"相位"这两个字讲起，把相控阵、Massive MIMO 的阵列架构、多用户配对这一整套原理串起来。理解了它，你看 5G 基站那块"没有辐射体的白板子"时，看到的就是一行行正在做数学题的移相器。
想象操场上站一列人，同时喊一声"嘿"。如果所有人同时发声，声音从队伍正前方传出去，正前方的听众听到的所有"嘿"是齐的——声音最响。但站在队伍斜前方 30° 的听众就不一样了：离他近的人的声音先到，离他远的人的声音晚到，声音是"拖尾"的、糊的，响度互相抵消掉一部分。
现在反过来玩一个把戏：让队伍里每个人喊话的时间依次错开一点点——离斜前方听众远的人先喊，近的人后喊，错开的时差正好等于声音在两人间距上"走过去"的时差。会发生什么？在 30° 斜前方这个方向上，先喊的走了更远的路，后喊的走了更近的路，路程差恰好把出发时间的差补平了——所有声音到达这位听众耳朵时又是齐的，响度拉满。而正前方的听众反而听到了拖尾的糊音。
这就是相控阵的全部秘密：波束的方向，就是"所有阵子发出的波恰好同相相遇"的方向。 想让波束去哪个方向，就让各阵子的发射时刻（相位）预先错开，错开量正好等于那个方向上的路程差。队伍本身一动不动，"声波走廊"却可以随意拐弯。雷达、5G AAU、 Wi-Fi 7 的波束成形，物理内核都是这一个把戏，只是"声音"换成了电磁波，"错开时间"用"移相器"来实现——对单频正弦波来说，延时就是移相，二者完全等价。
把上面的直觉翻译成公式。设一排阵子，相邻间距为 $d$，工作波长 $\lambda$，想让波束偏离"正前方"（法线方向）角度 $\theta$，那么相邻两个阵子需要的相位差是：
$$\Delta\varphi = \frac{2\pi d}{\lambda}\sin\theta$$
这个公式值得逐项看一眼，因为它把"设计波束"变成了"做算术"：
来算一个具体的例子。3.5 GHz 频段，波长 $\lambda = c/f \approx 8.57\ \text{cm}$，阵子间距取半波长 $\lambda/2 \approx 4.3\ \text{cm}$。目标是把波束打到偏离法线 30° 的方向：
$$\Delta\varphi = \frac{2\pi}{\lambda}\cdot\frac{\lambda}{2}\cdot\sin 30° = \pi \times 0.5 = 90°$$
也就是每个阵子比前一个滞后 90° 相位，波束就精确地指向 30°。基站芯片做的事，本质就是给成百上千个通道下发这样一张"相位配比表"。
flowchart TD
subgraph TX["发射端: 逐路移相"]
S1["阵子1: 相位 0°"] --> O["空中叠加合成"]
S2["阵子2: 相位 -90°"] --> O
S3["阵子3: 相位 -180°"] --> O
S4["阵子4: 相位 -270°"] --> O
end
O --> P["正前方: 各波路程差不等于移相量 - 叠加抵消"]
O --> Q["30°方向: 路程差恰好补齐移相量 - 全部同相"]
Q --> R["波束就落在这里"]
把间距放大一倍（$d = \lambda$），同样的阵子数量覆盖的口径变宽、波束理论上更窄，看似更划算。但坏了另一件事：当 $d = \lambda$ 时，除了目标方向，在与法线对称的另一个角度上路程差也恰好凑满了整周期——那里的波也同相叠加，凭空多出一个假波束，术语叫栅瓣（grating lobe）。栅瓣把能量乱洒一气，既浪费功率又制造干扰。要让波束在 ±90° 全范围扫描都不出栅瓣，间距必须满足 $d \le \lambda/2$。这就是为什么 3.5 GHz AAU 上的阵子间距永远卡在 4 厘米左右、毫米波相控阵更是把阵子排得密密麻麻——不是设计者保守，是栅瓣这道红线顶死的。
一排 $N$ 个阵子全同相发射时，正前方的场强是 $N$ 个阵子的幅度相加，而单个阵子的旁瓣方向上各种相位互相抵消。均匀直线阵的半功率波束宽度有一个很好用的近似：
$$\theta_{3\text{dB}} \approx \frac{102°}{N} \quad (\text{间距为半波长时})$$
8 个阵子约 12.8°，12 个阵子约 8.5°。与此同时，阵列的相干合成增益大约是 $10\lg N$：64 个通道理论上能攒出约 18 dB 的增益——相当于把发射功率放大了六十多倍，却不增加任何功放能耗的浪费。阵子数量同时买到两样东西：更窄的波束（更少的干扰）和更高的增益（更远的覆盖），这就是 5G 愿意把天线从 4 通道堆到 64 通道的根本账本。
"每路信号乘一个复数加权再发出去"这个动作，可以在信号链的不同位置完成。放在哪一层，决定了整个基站 AAU 的硬件形态和成本结构。
flowchart TD
subgraph M1["模拟波束赋形"]
B1["1套射频通道"] --> B2["射频移相器阵列"]
B2 --> B3["阵子群: 同一时刻仅一个波束"]
end
subgraph M2["数字波束赋形"]
C1["基带数字预编码"] --> C2["每阵子独立一套收发通道"]
C2 --> C3["多波束多用户并行"]
end
subgraph M3["混合波束赋形"]
D1["少量射频通道"] --> D2["数字预编码加模拟移相"]
D2 --> D3["子阵级波束"]
end
模拟波束赋形：一套功放、一套收发机，后面挂一组纯硬件移相器。便宜，但同一时刻只能形成一个波束，改波束方向要重新配移相器。雷达常用，通信里只能做"单波束话筒"。
数字波束赋形：每个（或每组）阵子都有自己完整的数字-模拟变换和收发通道，加权在基带以数字乘法完成。想同时打几个波束、给几个用户各自独立加权，只是在基带矩阵里多算几列的事。灵活度天花板最高，代价是每一条通道都是真金白银的功放、滤波器、变换器。
混合波束赋形：数字域做粗加权，模拟移相器做细指向，用少量射频通道驱动一大片阵子。毫米波频段带宽大，高精度变换器功耗和成本爆炸，只能走这条路省通道数——这是 Sub-6G 频段能上全数字架构、毫米波基站普遍混合架构的根本原因。
| 维度 | 模拟波束赋形 | 混合波束赋形 | 数字波束赋形 |
|---|---|---|---|
| 加权发生位置 | 射频移相器 | 数字粗加权 + 射频移相 | 基带数字域 |
| 射频通道数 | 1 套 | 少量（子阵共享） | 与通道数 1:1 |
| 同一时刻波束数 | 1 个 | 有限几个 | 多波束并行 |
| 多用户空分能力 | 无 | 有限 | 强（MU-MIMO 主力） |
| 硬件成本与功耗 | 低 | 中 | 高 |
| 典型用武之地 | 雷达、早期 TDD 设备 | 5G 毫米波 | 5G Sub-6G 主流 AAU |
标准层面允许多种实现形态，具体通道映射与阵列排布以各厂家官方资料为准；但"加权放在哪一层"的物理账，是共通的。
到这里为止，波束赋形还只是"把能量堆向一个人"。Massive MIMO 真正值钱的地方在于它的逆操作：不仅能把波束指到某个用户的方向，还能在别的用户方向上故意摆出零点（零陷，null steering），让发给 A 的信号在 B 的位置恰好互相抵消。
回忆一下叠加原理：一排阵子在某方向"同相相遇"就增强。反过来，只要调整各通道的幅度和相位加权，完全可以让某几个特定方向上的波"反相相遇"——一个波的波峰对上另一个波的波谷，抵消归零。于是 64 通道基站可以同时做两件事：给用户 1 的加权让能量峰对准用户 1、在用户 2 的方向形成零陷；给用户 2 的加权则反之。两个用户共享同一时频资源，互相听不见对方，小区容量直接翻倍再翻倍。这就是 MU-MIMO（多用户 MIMO）空分复用的物理原理。
用信道模型一句话总结：接收信号 $y = H W x + n$，其中 $H$ 是信道（每个用户到每根天线的响应），$W$ 是基站的预编码矩阵（每路数据的加权表），$x$ 是发给各用户的数据层。基站算 $W$ 的目标就两条：让 $HW$ 在各自用户方向尽量大（增强），在别的用户方向尽量小（挖坑）。
算 $W$ 的前提是知道 $H$。这里有个巧妙的物理事实：电磁波走过的路，上行和下行是同一条（天线互易定理），在 TDD 系统里上下行还是同一个频点、同一帧结构内交替，所以基站只要听用户发的上行探测信号（SRS），就能直接推出下行信道，预编码当场可算。这就是 TDD 被称为 Massive MIMO"天选双工方式"的原因。FDD 上下行频点相差几十上百兆赫兹，信道特性并不严格相同，只能依赖终端反馈有限的量化信息（或用 AI 插值补齐），在大规模阵列上做同样的空分要难得多。
sequenceDiagram
participant U1 as 用户1
participant G as 基站
participant U2 as 用户2
U1->>G: 周期性发送上行探测信号 SRS
U2->>G: 周期性发送上行探测信号 SRS
G->>G: 估计两用户信道并决定是否配对
G->>U1: 同一时频资源叠加发两层数据
G->>U2: 同一时频资源叠加发两层数据
U1->>U1: 借助调度信息解出自己的层
U2->>U2: 借助调度信息解出自己的层
Note over G: 波束对准各自方向并在对方方向挖零陷
配对的前提是两个用户的信道"夹角"足够开——空间上分得开，加权才挖得出干净的零陷。两个用户如果方向几乎重合，强行配对只会互相踩脚，所以基站的调度器每一毫秒都在做"空间维度上的排座位"。
业务波束可以精打细算地只服务一个人，但同步信号块（SSB）这类广播信道必须让小区里所有方向的手机都能收到——包括还没完成接入、基站还不知道它在哪的新手机。这是一对矛盾：窄波束增益高但只照亮一条走廊，宽波束覆盖全向但增益稀薄。
5G 的解法是波束扫描（beam sweeping）：把一个同步信号周期切成若干时段，每个时段用阵列打一个不同方向的窄波束，像灯塔一样把全小区"扫"一遍。手机开机后在某个波束里收到最强的 SSB，就驻留到那个波束上，后续业务也优先用这个方向。这样广播信道既拿到了窄波束的增益，又保住了全向覆盖。
flowchart TD
A["广播信道要求全小区可收到"] --> B["方案: 窄波束轮流扫描全小区"]
B --> C["波束1: 方向-60°"]
B --> D["波束2: 方向-30°"]
B --> E["波束3: 方向0°"]
B --> F["波束4: 方向+30°"]
B --> G["波束5: 方向+60°"]
C --> H["手机驻留在自己收到最强的那个波束"]
D --> H
E --> H
F --> H
G --> H
| 对比项 | 无源天线 + RRU | 4T4R 有源天线 | 64T64R Massive MIMO AAU |
|---|---|---|---|
| 阵列形态 | 天线与 RRU 分体、固定馈电 | 一体化 4 通道 | 一体化 AAU、64 通道 |
| 典型阵子规模 | 数个至十余个 | 数个 | 一两百个（如 8 列 × 12 行 × 双极化量级） |
| 阵列合成增益 | 基准 | 约 +6 dB 量级 | 理论约 18 dB 量级 |
| 波束能力 | 固定扇区宽波束 | 固定 | 毫秒级可调、业务波束 + 广播扫描 |
| 多用户空分 | 无 | 有限流数 | 现网典型同时配对数个用户，理论上限更高 |
| 对容量的贡献 | 靠加频谱 | 靠分集与接收合并 | 靠空分复用与零陷隔离 |
理解了"波束=相位加权表"，很多现网现象就从"玄学"变成了"物理"：
| 现网现象 | 背后的相位原理 | 排查方向 |
|---|---|---|
| 边缘搜不到小区但距离近 | 广播扫描波束未覆盖该角度 | 核查广播波束数与宽度配置 |
| MU-MIMO 配对率低 | 信道估计不准或校准漂移 | SRS 信噪比、通道校准状态 |
| 配对后速率反而下降 | 用户信道夹角小，零陷失效 | 检查配对用户的空间隔离度 |
| 高铁掉线/速率波动大 | 信道过期，波束滞后于用户 | 波束跟踪与多普勒补偿配置 |
Q: 波束赋形和 MIMO 到底是什么关系？ A: 波束赋形是"动作"，MIMO 是"多天线体系"。广义 MIMO 系统里，用多天线发同一份数据做分集、用多天线并行发多份数据做空间复用、用多天线加权聚束做波束赋形——三者是同一套硬件上的三种玩法。Massive MIMO 把三种玩法合起来：对单个用户是高增益窄波束（赋形），对多个用户是空分复用（MU-MIMO），对衰落是多路分集。
Q: 64T64R 里的 64 和"192 个阵子"是什么关系？ A: 64 指的是射频收发通道数（能独立加权的"路数"），192 指的是辐射阵子数。商用 AAU 常用双极化阵子，多个阵子经功分网络共享一个通道，因此阵子数通常是通道数的两三倍。决定波束灵活度的是通道数，决定单波束增益的是阵子总数。
Q: 既然数字波束赋形最灵活，为什么毫米波要用混合架构？ A: 算一笔变换器的账。数字架构要求每个阵子一套高速数字模拟变换，毫米波单载波带宽动辄数百兆赫兹，高精度高速变换器的功耗和成本随带宽陡增，几百个阵子全数字化在工程上烧不起。混合架构用少量射频通道 + 模拟移相器驱动大阵列，把"全灵活"换成"够用的灵活"，这是毫米波设备能做出来的前提。
Q: 基站波束对准我，会不会让旁边的人没信号？ A: 恰好相反。Massive MIMO 的设计目标是"对准你"和"挖坑挡住对你有干扰的方向"同时成立：给你增强波束，给同小区其他被调度用户挖零陷。真正需要操心的是零陷挖不到的方向——未被调度用户、邻区用户会吃到波束的旁瓣，这正是大规模阵列下干扰协调要处理的对象。
Q: 波束是"发出去的一束光"吗，空间里真的有一根亮线吗？ A: 没有。空间中只有各阵子发出的球面波的叠加场，"波束"是这些波在某些方向同相叠加、在另一些方向反相抵消后呈现的能量分布图案。你在波束方向放接收机就收到强信号，偏一点就弱——图案只在"测量"时呈现，不存在一根实体的"光线"。这也解释了为什么改一张相位加权表就能让"波束"瞬移，而空间里没有任何东西需要移动。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。