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天线阵列（antenna array）是指将两个及以上的天线单元按照一定规则进行排列和激励来组成阵列，从而使电磁波在空间辐射时获得一定的方向性。
在说天线阵列之前，我们有必要先了解一下天线组和天线阵子，那什么是天线组呢?
天线组成涉及的基本概念包括偶极子和天线阵子。
偶极子（dipole）：当两个对称的导线张开、距离增大，整个导体尺寸等于波长的一半时，该导体上感应到的无线电刚好处于谐振状态，此时电磁波的辐射效率最高。这个导体叫半波振子，也叫偶极子（Dipole），如图1所示。
图1 偶极子示意图
5G网络中，对于毫米波，波长是毫米级别，因此天线可以做得很小。在同样大小的天线面板尺寸里，相比低频可以集成更多的天线。
天线阵子（Antenna Element，也常称为天线振子）：偶极子结合反射板，形成单天线阵子，它通过反射可以让信号叠加，并且实现定向辐射。
图2 天线振子示意图
接下来我们再来介绍什么是天线阵列。
单天线阵子是天线的基本构成单元，在进行天馈设计时通常会根据需要对多个天线阵子进行阵列式排布，从而形成天线阵列。天线阵列可以汇聚天线阵子的能量，获得更大的增益。
天线阵列增益定义：天线阵列与天线阵子在空间同一点处所产生的场强的平方之比（即功率之比）。
如图3可以看出两个天线振子就可以形成波束，发送功率相等的条件下，天线阵子越多，可形成的波束会越窄，能量汇聚的效果越好。
N元阵列在最大辐射方向上的增益为：Ga（dB） = 10 lg （N）。
图3 天线阵列增益示意图
无线信号在从天线阵子发出后，经过一定距离的传输到达接收天线时，接收信号的相位会发生变化。
图4 信号传播过程中相位变化示意图
当天线阵子数大于1时，不同阵子发出的信号在接收端就会因为相位差产生叠加或抵消的效果。下面以两阵子为例说明：
场景1：同一信号经2个阵子发出，到达接收端时相位完全相同，此时两路信号能量在接收端完全叠加，合并后能量最大。
图5 两路信号在接收端相位相同产生叠加效果示意图
场景2：同一信号经2个阵子发出，到达接收端时相位完全相反，此时两路信号能量在接收端完全抵消，合并后能量为0。
图6 两路信号在接收端相位相反产生抵消效果示意图
使用单根天线时，电磁波向所有方向发射，此时信号辐射为全向波束，信号的覆盖距离较近。两根或两根以上的天线形成的电磁波在空间中相遇时会发生叠加或抵消形成新的波形。使用两根天线时，信号辐射为宽波束，信号的覆盖距离比全向波束远。天线越多，电磁波辐射的波束越窄，信号的覆盖距离越远。大规模阵列天线可以进一步将信号聚焦成窄波束，覆盖距离会更远。
图7 天线阵列波束赋形效果示意图
图8 波束赋形原理示意图
如图可知，对于终端接收到的在水平同一排的天线阵子的信号，不同信号入射径之间存在相程差。通过波长与相程差之间的比例关系，我们可以通过公式来确定天线阵列各个阵子间的水平初始相位差。
经过计算，我们就获得了天线阵列初始相位信息，再通过调整每个天线阵子发射信号的相位及幅度，就可以获得特定的波束赋形效果。
天线阵列的增益类型与作用：
1. 阵列增益：提升下行平均信噪比;
对于阵列天线来说，接收端收到的信号是多个天线阵子信号叠加的结果。
对于噪声N：不同天线阵子噪声不相关，故接收端合并后噪声功率保持不变；
对于有用信号S：不同天线阵子的有用信号相关，故接收端合并后信号功率成倍提高；
故而使用天线阵列，多天线合并处理后能够获得阵列增益，有效提升平均信噪比 SNR(Signal to Noise Ratio)。
2. 干扰抑制增益：提升上行平均信干噪比;
在多天线系统中，利用IRC等天线干扰抵消算法，可有效提高信号平均信干噪比 SINR(Signal to Noise plus Interference Ratio)，为系统带来干扰场景下的增益。对于天线阵列来说，天线阵子越多，干扰抑制能力就越好。
3. 空间分集增益：减小信噪比相对波动;
无线信道衰落特性导致接收信号SNR波动。单径上随机出现的衰落不可避免，因此多径传输会有分集增益（每个径相互独立，各自经历独立的衰落；只要其中一个径上的信号强就可以保持可靠地传输）。天线阵列不同天线阵子的信号多径传输后可显著降低信号被完全衰落的概率，从而减小信噪比的波动。
4. 空间复用增益：提升传输流数、容量;
在发送端采用天线阵列技术，在不同天线阵子发送多于一个的数据流，且接收端同时具备天线阵列，即构成MIMO (Multi-Input Multi-Output)系统，天线越多、波束越窄，波束之间相关性更低，可以空分复用的流数就越多。
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