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“天线”传说

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天线,是我们生活中很常见的一种通讯设备。但是,包括程序员在内的大部分非通信专业的人,其实对它并不了解。对于移动端网络通信来说,天线是用于基站和手机发射信号用的。

天线这个词的英文是“Antenna”,原意为“触须”的意思。触须就是昆虫头顶上的两根长长的细丝,可别小瞧这样不起眼的玩意儿。

昆虫正是由这些触角发送的各种化学信号来传递各种社交信息的:

与此类似,在人类世界里,无线通信也是通过类似于昆虫“触须”的天线来传递信息的,只不过传递的是承载着有用信息的电磁波

下图就是手机和基站之间相互通信的一个示例:

那么实际生活中,无线通信中的天线都长什么样?有哪些用途?更重要的是,天线的技术原理是怎样的?本文将通过大量的图片,为你讲述这些内容。本文力求通俗易懂,面向零基础读者,希望继续给即时通讯网的开发者带来更多通信技术方面的收获。

天线是生活中的常见设备

话说,自从1894年老毛子科学家波波夫成功发明了天线之后,这玩意迄今已有124年的历史(数了3遍,应该没错)。

波波夫和他的发明

在这漫长的历史长河之中,它对人类社会发展和进步做出了卓绝的贡献。

二战中屡立奇功的英国雷达天线

如今,不管是老百姓日常工作生活,还是科学家进行科研探索,都离不开天线君的默默奉献。

天线究竟是一根什么样的“线”,为什么会如此彻底地改变我们的生活?

先来了解一下“电磁波”

其实,天线之所以牛逼,就是因为电磁波牛逼。电磁波之所以牛逼,一个主要原因就是,它是唯一能够不依赖任何介质进行传播的“神秘力量”。即使在真空中,它也能来去自如,而且转瞬即至。

电磁波效果图
电磁波传播示意图

想要充分利用这股“神秘力量”,你就需要天线。

天线的技术原理

在无线电设备中,天线就是用来辐射接收无线电波的装置。

天线的英文名:Antenna(也有触须、直觉之意)。

再通俗点,天线就是一个“转换器”——把传输线上传播的导行波,变换成在自由空间中传播的电磁波,或者进行相反的变换。

天线的作用

什么叫导行波?简单来说,导行波就是一种电线上的电磁波。

天线是怎么实现导行波和空间波之间转换的呢?

看下图:

中学物理学过,两根平行导线,有交变电流时,就会形成电磁波辐射

  • 1)两根导线很近时,辐射很微弱(导线电流方向相反,产生的感应电动势几乎抵消);
  • 2)两根导线张开,辐射就会增强(导线电流方向相同,产生的感应电动势方向相同)。

当导线的长度增大到波长的1/4时,就能形成最佳辐射效果:

有了电场,就有了磁场,有了磁场,就有了电场,如此循环,就有了电磁场和电磁波。。。

电生磁,磁生电

再来个动图,大家感受一下这个优美的过程:

天线中的“振子”

导线电流方向的变化,产生了变化的电场产生电场的这两根直导线,就叫做振子。通常两臂长度相同,所以叫对称振子。

长度像下面这样的,叫半波对称振子:

半波对称振子

把导线两头连起来,就变成了半波对称折合振子:

半波对称折合振子

有点像刷墙的油漆刷子:

对称振子是迄今最为经典,使用最为广泛的天线。理论还是有点枯燥啊,赶紧的,我们来结合一下实物。

真实世界中的振子,是个什么样?Duang!就是这样:

就是这么个金属片。。。半波对称振子(非折合)。

好吧,其实上面这个只是振子的一个传统形态,它还有N种变(身)态:

造型怪异的振子

天线的种类

懵逼了吧?如果说,上世提到的振子就是天线,那这哪里是天线嘛?我们现实生活中看到的天线不是这个鸟样啊?

确切地说,振子不是一个完整的天线。振子是天线的核心部件,形态会随天线的形态变化而变化

而天线的形态,实在是太TM多了。。。多了。。。了。。。

总而言之,成百上千

虽然天线的形态千奇百怪,但是根据相似度,也可以进行大致归类:

  • 1)按波长分:中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线…
  • 2)按性能分:高增益天线、中增益天线…按指向分:全向天线、定向天线、扇区天线…
  • 3)按用途分:基站天线、电视天线、雷达天线、电台天线…
  • 4)按结构分:线天线、面天线…
  • 5)按系统类型分:单元天线、天线阵………

如果按照外型来分,常见的几种,如下图:

鞭状天线
抛物面天线
八木天线

PS:八木天线并不是八根木头:

虽然我数学不好,但是八我还是数得来的。之所以叫八木,是因为它是二十世纪20年代日本人八木秀次和宇田太郞发明的,叫“八木宇田天线”,简称“八木天线”(可怜的宇田)。
对于即时通讯网的IM程序员来说,我们最应该关心的,当然是能实现我们手机端无线通信的通信基站天线了!

基站天线

基站天线,是基站天馈系统的组成部分,也是移动通信系统的重要组成部分:

基站天线一般分为:

  • 1)室内天线;
  • 2)室外天线。

室内天线通常包括全向吸顶天线和定向壁挂天线等:

我们重点说说室外的。

室外基站天线也分为全向的和定向的。定向天线再细分为定向单极化天线和定向双极化天线。

什么是极化?别急,我们待会再说。我们先说说全向和定向。其实顾名思义,全向天线就是向四周发射和接收信号的,而定向天线,是向指定方向。

室外全向天线,是这样的:

就是一根棒子,有粗的,也有细的。

它里面的振子,是这样的:

相比全向天线,现实工作生活中,定向天线使用最为广泛。

它大部分时候看上去就是一个板子,所以叫板状天线:

板状天线,主要由以下部分组成:

  • 1)辐射单元(振子);
  • 2)反射板(底板);
  • 3)功率分配网络(馈电网络);
  • 4)封装防护(天线罩)。

之前我们看到那些奇怪形状的振子,其实都是基站天线的振子。

电磁波的“极化”现象

大家注意到没,上上一节中振子的角度,有一定的规律——要么是“+”,要么是“×”:

嗯,这就是前面我们提到的“极化”。

无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变化的,这种现象称为无线电波的极化。

如果电波的电场方向垂直于地面,我们称它为垂直极化波。同理,平行于地面,就是水平极化波。另外,还有±45°的极化。

不仅如此,电场的方向还可以是螺旋旋转的,叫椭圆极化波。

双极化,就是2个天线振子在一个单元内,形成两个独立波。

采用双极化天线,可以在小区覆盖时减少天线的数量,降低天线架设的条件要求,进而减少投资,还能保证覆盖效果。总之,就是好处多多。

密集恐惧症又犯了

天线是如何控制信号的辐射方向的?

我们继续前面全向和定向天线的话题。为什么定向天线可以控制信号的辐射方向呢?

我们先来看个图:

因为空间是三维立体的,所以这种从上往下的俯视,以及从前往后的正视,会更加清晰直观地观察到天线辐射强度的分布。上图也是一对半波对称振子产生的天线方向图,有点像个平放的轮胎。

话说,天线的诸多特性中,一个很重要的能力,就是辐射距离。怎样才能让这个天线的辐射距离更远呢?

答案就是——拍它:

啪叽!

这下辐射距离不就远了嘛。。。问题是,辐射这玩意,看不见抓不着,你想拍它,也拍不着啊。

在天线理论里,如果你想拍这一巴掌,正确的做法是——增加振子

振子越多,“轮胎”越扁:

好了,轮胎被拍成了饼,信号距离是远了,而且,它是向周围360°发散的,是个全向天线。这种天线,放在荒郊野外,是极好的。但是,在城市里,这种天线就很难玩得转了。

城市里,人群密集,建筑林立,通常需要使用定向天线,对指定范围进行信号覆盖。

城区基本上都是定向天线于是乎,我们就需要对全向天线进行“改造”。

首先,我们要想办法把其中一侧“挤一挤”:

怎么挤呢?

我们加上反射板,挡在一侧。然后,配合多个振子,进行“聚焦”:

最后,我们得到的辐射形状,是这样的:

图中,辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣,屁股上还会有一点尾巴,叫后瓣

呃,这个造型,有点像。。。茄子?

对于这个“茄子”,你可以想一想,怎样才能最大化利用它进行信号覆盖呢?

抱着它站在马路上,肯定是不行的,障碍物太多:

站得高,看得远,我们肯定要往高处走啊:

到了高处,怎么才能往下照呢?聪明如我和你,一定想到了,很简单啊,天线本体往下倾斜不就OK啦?

是的,在安装时,直接倾斜天线,是一个办法,我们称之为“机械下倾”:

现在的天线,安装时都具备这个能力,一个机械臂,搞定:

但是,机械下倾也存在一个问题——采用机械下倾时,天线垂直分量和水平分量的幅值是不变的,所以天线方向图严重变形 。

这肯定不行啊,影响了信号覆盖。

于是,我们采用了另外一种办法,就是电调下倾,简称电下倾。简而言之,电下倾就是保持天线本体的物理角度不变,通过调整天线的振子相位,改变场强强度。

来个动图,就看明白了:

相比于机械下倾,电下倾的天线方向图变化不大,下倾度数更大,而且,前瓣和后瓣都朝下。

当然啦,在实际使用中,经常会机械下倾和电调下倾配合使用。

下倾之后,就变成了这样:

在这种情况下,天线的主要辐射范围,得到了较充分的利用。

但是,还是有问题存在的:

  • 1)主瓣和下旁瓣之间,有一个下部零深,会造成这个位置的信号盲区。通常,我们称之为“灯下黑”;
  • 2)上旁瓣的角度较高,影响距离较远,很容易造成越区干扰,也就是说,信号会影响到别的小区。

所以,我们必须努力填补“下部零深”的空缺,压制“上旁瓣”的强度。

具体的办法,就是调节旁瓣的电平,采用波束赋形等手段,里面的技术细节就有点复杂了。大家感兴趣的话,可以自行搜索相关资料。

这里面的学问,真的很深,所以,无数的天线专家都在钻研这方面的课题,不断地研发、测试。

上图为天线测试暗室

一款优秀的天线,离不开良好的工艺,可靠的材料,还有不断的测试。

最后

好啦,文章写到这里,就该结束啦!

天线的原理看似简单,但对性能精益求精的追求却没有止境。实际上,天线的知识还有很多,远不止本文所述。限于篇幅,今天还是先到这里吧。

总之,天线确实是一门精深的学问,远比大家想象得复杂。而且,目前也处于高速发展的阶段,还有很大的潜力可以挖掘。尤其是即将到来的5G,天线技术革新是其中的重中之重,各大设备厂家一定会在5G天线上全力以赴,做足文章。到时候会有什么样的天线黑科技出现?让我们拭目以待吧! 

5G天线(大规模天线阵列)
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