近场阵列歧义函数中的混叠：空间频率域框架

为何巨型天线阵列重要

随着我们迈向未来的 6G 无线网络，工程师正在设计如此巨大的天线系统，以致它们开始感知无线电波的三维形状，而不再将其视为平面波。这些“极大规模阵列”承诺实现厘米级定位、更尖锐的束波以及更高效的频谱利用。但它们也引入了新的幽灵信号和混淆点，可能误导接收端判断设备的真正位置。本文解释了这些幽灵信号的来源，并说明如何预测与避免它们。

从简单波束到复杂图样

传统天线阵列针对远场设计，在远场中无线电波可近似为平面波。在该情况下，一个简单的间距规则——将天线间距保持在大约半波长——可以防止称为光栅瓣的伪强响应，这些伪响应看起来像指向错误方向的额外波束。对于极大规模阵列，设备通常处在更近的近场，波前呈弧形，类似扩散的涟漪。在这一范式中，单个阵列可以同时感知设备的距离和方向，从而实现高精度定位和波束聚焦。但同时，空间中的响应图样变得更为复杂，熟悉的远场规则不再能准确描述危险的幽灵响应将出现的位置。

把幽灵波束看作一种空间混叠

作者通过一个核心工具——歧义函数来研究这些效应，歧义函数衡量系统把一个位置误认为另一个位置的可能性。在理想情况下，歧义函数仅在被测位置与真实设备位置完全一致时出现峰值。而真实的有限阵列则会产生一个明亮的主瓣，周围伴随较弱的旁瓣。其中一些旁瓣源自聚焦的物理机制；另一些则是当连续波场仅在离散天线位置被采样时产生的伪像。研究团队表明，在近场情况下，定义光栅瓣最稳健的方式是将其视为“空间混叠伪像”：当波场中存在的空间频率超过离散阵列采样在不发生折叠与重叠下所能表示的范围时，就会产生此类伪像，就像音频采样过粗会产生虚假的音调一样。

在局部跟踪空间频率

为了使这种混叠行为可处理，论文引入了局部空间频率的观点。随着来自设备的波沿阵列传播，其相位并非以恒定速率前进，而是像啁啾信号那样加速和减速。作者用在阵列上随点位变化的局部波数来描述这一现象。他们展示了用于混叠的最相关空间频率可以由该局部量捕获，给出一个“软”带限，用以跟踪歧义函数频谱中大部分能量所在的位置。如果所有这些局部频率都保持在由天线间距设定的阈值以下，则离散歧义函数将与其连续对应物密切匹配，强烈的混叠引起的幽灵就不会出现。

设计安全工作区

基于此图景，作者定义了两个实用概念。首先，围绕给定真实设备位置的无混叠区域：指可以被探测而不会在歧义函数中诱发混叠的邻近测试位置集合。其边界在空间中呈现眼状或环状曲线，并取决于天线的几何形状与间距。其次，混叠安全工作域：对于特定阵列设计，任何一对位置都能在该域内被区分而不发生混叠。他们推导出一般性的设计准则——在不增大阵列尺寸的前提下增密阵列（增加天线数量）总是有利，扩大物理尺寸则往往缩小无混叠区域，且经典的半波长间距规则若能在天线间形成连续路径，即使在近场也能保证无混叠行为。

该框架对常见阵列的揭示

随后论文将该框架应用于两种广泛使用的阵列形状。对于长均匀线阵，作者得到闭式公式，描述每个设备位置周围特征性的“眼状”无混叠区域。他们展示了该眼状结构如何随天线间距、阵列长度和设备距离变化，并说明该结果如何平滑过渡到熟悉的远场图景——在远场中仅角度而非距离起主导作用。对于均匀圆阵（视为环形天线包围的区域），相同分析导出圆形或眼状的混叠前缘，其半径取决于波长、角向间距以及天线在圆周上实际占据的比例。这些结果将复杂的数值图样转化为可指导阵列布局的几何形状。

对未来无线系统的启示

本质上，文章将一个混乱的近场问题转化为一个清晰的几何问题：通过观察局部空间频率沿阵列的演化，设计者可以绘制出混叠引起的光栅瓣将出现的位置，而无需借助难以掌控的精确公式。这使得为 6G 时代通信与定位使用的巨型阵列定义安全工作区域和间距规则成为可能。尽管当前工作侧重于这些幽灵响应可能存在的位置，而非它们的强度，但它为改进阵列设计、将分析扩展到更复杂的几何和宽带信号奠定了理论基础，并最终能够构建出不会被自身幽灵图像所迷惑的高分辨率近场系统。

引用: Monnoyer, G., Louveaux, J., Defraigne, L. et al. Aliasing in near-field array ambiguity functions: a spatial frequency-domain framework. npj Wirel. Technol. 2, 21 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-026-00043-0

关键词: 近场阵列, 空间混叠, 6G 定位, 光栅瓣, 天线设计