零基礎學(xué)天線(xiàn)！看完你就是半個(gè)天線(xiàn)專(zhuān)家了！

以下文章來(lái)源于公眾號5G通信射頻有源無(wú)源濾波器天線(xiàn) ，作者哥5G

基站的天線(xiàn)，比基站本身更為醒目?！疤炀€(xiàn)”這兩個(gè)字，也不像它們看上去那樣簡(jiǎn)單。但是，我們會(huì )盡力把它說(shuō)得簡(jiǎn)單有趣。

看完本篇關(guān)于天線(xiàn)的介紹，你將會(huì )了解：

① 到底什么是天線(xiàn)？

② 天線(xiàn)是怎樣發(fā)射信號的？

③ 天線(xiàn)有哪些關(guān)鍵指標？

一、揭開(kāi)天線(xiàn)的面紗

眾所周知，天線(xiàn)是基站和手機發(fā)射信號用的。

天線(xiàn)這個(gè)詞的英文是Antenna，原意為觸須的意思。觸須就是昆蟲(chóng)頭頂上的兩根長(cháng)長(cháng)的細絲，可別小瞧這樣不起眼的玩意兒，昆蟲(chóng)正是由這些觸角發(fā)送的各種化學(xué)信號來(lái)傳遞各種社交信息的。

與此類(lèi)似，在人類(lèi)世界里，無(wú)線(xiàn)通信也是通過(guò)天線(xiàn)來(lái)傳遞信息的，只不過(guò)傳遞的是承載著(zhù)有用信息的電磁波。下圖就是手機和基站之間相互通信的一個(gè)示例。

那么實(shí)際中的天線(xiàn)都長(cháng)什么樣呢？由于用途的不同，天線(xiàn)的形態(tài)實(shí)在是太多了，大到接收電視信號的鍋（拋物面天線(xiàn)），小到隱藏在手機中的天線(xiàn)，因功能不同而形態(tài)各異。

說(shuō)到天線(xiàn)，大多數人最?？吹降木褪羌依餆o(wú)線(xiàn)路由器的天線(xiàn)了。

就是這一根根棍子一樣的天線(xiàn)，讓我們能享受到飛一樣的網(wǎng)速。

就像盲人摸象一樣，每種分類(lèi)方式都只能描述天線(xiàn)的一個(gè)側面或者一類(lèi)特征，把這些分類(lèi)法所針對的特征全部糅合起來(lái)才能看清天線(xiàn)的全貌。

對稱(chēng)振子是迄今最為經(jīng)典，使用最為廣泛的天線(xiàn)。

理論還是有點(diǎn)枯燥啊，趕緊的，我們來(lái)結合一下實(shí)物。

真實(shí)世界中的振子，是個(gè)什么樣？

Duang！就是這樣——

就是這么個(gè)金屬片。。。半波對稱(chēng)振子（非折合）

好吧，其實(shí)上面這個(gè)只是振子的一個(gè)傳統形態(tài)，它還有N種變（身）態(tài)：

造型怪異的振子

懵逼了吧？如果說(shuō)振子就是天線(xiàn)，那這哪里是天線(xiàn)嘛？我們現實(shí)生活中看到的天線(xiàn)不是這個(gè)鳥(niǎo)樣??？

確切地說(shuō)，振子不是一個(gè)完整的天線(xiàn)。振子是天線(xiàn)的核心部件，形態(tài)會(huì )隨天線(xiàn)的形態(tài)變化而變化。

而天線(xiàn)的形態(tài)，實(shí)在是太TM多了。。。多了。。。了。。。

總而言之，成百上千。。。

雖然天線(xiàn)的形態(tài)千奇百怪，但是根據相似度，也可以進(jìn)行大致歸類(lèi)。

如果按照外型來(lái)分，常見(jiàn)的幾種，如下圖：

拋物面天線(xiàn)，就像一個(gè)個(gè)巨大的鍋一樣，蔚為壯觀(guān)。雷達在發(fā)射時(shí)須把能量集中輻射到需要照射的方向，這個(gè)形狀是非常適合的。

PS：八木天線(xiàn)并不是八根木頭，雖然我數學(xué)不好，但是八我還是數得來(lái)的。之所以叫八木，是因為它是二十世紀20年代日本人八木秀次和宇田太郞發(fā)明的，叫“八木宇田天線(xiàn)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“八木天線(xiàn)”（可憐的宇田）

下面的這些“鍋”就要小一些了，這就是用于收發(fā)微波信號來(lái)傳遞信息的微波天線(xiàn)。微波這類(lèi)電磁波的波長(cháng)很短，主要以直線(xiàn)傳播，收發(fā)天線(xiàn)要相互對準才能工作，在無(wú)線(xiàn)通信中主要用作傳輸。

我們通信汪最關(guān)心的，當然是——通信基站天線(xiàn)！

基站天線(xiàn)，是基站天饋系統的組成部分，也是移動(dòng)通信系統的重要組成部分。

基站天線(xiàn)一般分為室內天線(xiàn)和室外天線(xiàn)。

室內天線(xiàn)通常包括全向吸頂天線(xiàn)和定向壁掛天線(xiàn)等。

顧名思義，全向天線(xiàn)可以360°無(wú)死角收發(fā)信號，室外全向天線(xiàn)，以及用于室內覆蓋的吸頂天線(xiàn)。

就是一根棒子，有粗的，也有細的。

它里面的振子，是這樣的：

回到本文的主角：定向天線(xiàn)。要揭開(kāi)這貨神秘的面紗，就要拆開(kāi)來(lái)看看內部到底裝了些什么東西。

相比全向天線(xiàn)，現實(shí)工作生活中，定向天線(xiàn)使用最為廣泛。

它大部分時(shí)候看上去就是一個(gè)板子，所以叫板狀天線(xiàn)。

板狀天線(xiàn)，主要由以下部分組成：

• 輻射單元（振子）

• 反射板（底板）

• 功率分配網(wǎng)絡(luò )（饋電網(wǎng)絡(luò )）

• 封裝防護（天線(xiàn)罩）

內部空蕩蕩的，結構并不復雜嘛，就是由振子，反射板，饋電網(wǎng)絡(luò )和天線(xiàn)罩組成。這些內部結構都是做什么的，怎樣就實(shí)現了定向發(fā)射接收信號的功能呢？

這一切就要從電磁波來(lái)說(shuō)起了。

二、剝開(kāi)天線(xiàn)的外衣

天線(xiàn)之所以能高速地傳遞信息，就是因為它能把載有信息的電磁波發(fā)射到空氣中，以光速進(jìn)行傳播，最終抵達接收天線(xiàn)。

這就好像用高速列車(chē)運送乘客一樣，如果把信息比作乘客，那么運送乘客的工具：高速列車(chē)就是電磁波，而天線(xiàn)就相當于車(chē)站，負責管理調度電磁波的發(fā)送。

那么，什么是電磁波呢？

科學(xué)家對電和磁這兩種神秘力量研究了上百年，最終英國的麥克斯韋提出：電流能在其周邊產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)。最終這個(gè)理論被赫茲的實(shí)驗所證實(shí)。

電磁場(chǎng)在這樣的周期性變換中，電磁波就輻射出來(lái)，向空間傳播。詳情見(jiàn)文章：“電磁波看不見(jiàn)摸不著(zhù)，這個(gè)年輕人的奇思妙想改變了世界”。

如上圖所示，紅色的線(xiàn)表示電場(chǎng)，藍色的線(xiàn)表示磁場(chǎng)，電磁波的傳播方向同時(shí)垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向。

天線(xiàn)就是一個(gè)“轉換器”——把傳輸線(xiàn)上傳播的導行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。

天線(xiàn)的作用

什么叫導行波？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，導行波就是一種電線(xiàn)上的電磁波。

那么，天線(xiàn)是怎樣把這些電磁波發(fā)送出去的呢？看完下圖就明白了。

上面這種產(chǎn)生電磁波的這兩根導線(xiàn)就叫做“振子”。一般情況下，振子的大小在半個(gè)波長(cháng)的時(shí)候效果最好，所以也經(jīng)常被稱(chēng)作“半波振子”。

有了振子，電磁波就可以源源不斷地往外發(fā)射了。如下圖所示。

有了電場(chǎng)，就有了磁場(chǎng)，有了磁場(chǎng)，就有了電場(chǎng)，如此循環(huán)，就有了電磁場(chǎng)和電磁波。。。

電生磁，磁生電

再來(lái)個(gè)動(dòng)圖，大家感受一下這個(gè)優(yōu)美的過(guò)程：

導線(xiàn)電流方向的變化，產(chǎn)生了變化的電場(chǎng)

半波振子把電磁波源源不斷地向空間傳播，但信號強度在空間上的分布卻并不均勻，像是輪胎一樣的環(huán)形。

但實(shí)際上，我們基站的覆蓋需要在水平方向上更遠一些，畢竟需要打電話(huà)的人都在地上；垂直方向就到高空了，高空中也沒(méi)啥需要邊飛邊刷抖音的人（航線(xiàn)覆蓋是另外一個(gè)話(huà)題，下次再講），因此，在電磁波能量的發(fā)射上，需要增強水平方向，削弱垂直方向。

根據能量守恒原理，能量既不會(huì )增加也不會(huì )減少，如果要提高水平方向的發(fā)射能量，就要削弱垂直方向的能量。因此就只有把標準半波陣子的能量輻射方向圖拍扁了。

怎樣才能讓這個(gè)天線(xiàn)的輻射距離更遠呢？

答案就是——

拍它。。。

啪嘰！

那么怎樣拍扁呢？答案就是增加半波振子的數量。多個(gè)振子的發(fā)射在中心匯聚起來(lái)，邊緣的能量的到了削弱，就實(shí)現了拍扁輻射方向，集中水平方向能量的目的。

在一般的宏基站系統中，定向天線(xiàn)的使用最為普遍。一般情況下，一個(gè)基站被劃分為3個(gè)扇區，用3個(gè)天線(xiàn)來(lái)覆蓋，每個(gè)天線(xiàn)覆蓋120度的范圍。

上圖是一個(gè)片區域的基站覆蓋規劃圖，我們可以清楚地看出，每個(gè)基站都由三個(gè)扇區組成，每個(gè)扇區用不同的顏色表示，也就需要三副定向天線(xiàn)來(lái)實(shí)現。

那么，天線(xiàn)是怎樣實(shí)現電磁波的定向發(fā)射呢？

這當然難不倒聰明的設計師。給振子增加反射板，把本該向另外一邊的輻射的信號反射回來(lái)不就行了么？

就這樣增加振子讓電磁波在水平方向傳得更遠，再增加反射板控制方向，經(jīng)過(guò)這么兩下折騰，定向天線(xiàn)的雛形誕生，電磁波的發(fā)射方向變成了下圖這樣。

圖中，輻射強度最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣，屁股上還會(huì )有一點(diǎn)尾巴，叫后瓣。

呃，這個(gè)造型，有點(diǎn)像。。。茄子？

對于這個(gè)“茄子”，你可以想一想，怎樣才能最大化利用它進(jìn)行信號覆蓋呢？

抱著(zhù)它站在馬路上，肯定是不行的，障礙物太多。

站得高，看得遠，我們肯定要往高處走啊。

到了高處，怎么才能往下照呢？聰明如我的你，一定想到了，很簡(jiǎn)單啊，天線(xiàn)本體往下傾斜不就OK啦？

是的，在安裝時(shí)，直接傾斜天線(xiàn)，是一個(gè)辦法，我們稱(chēng)之為“機械下傾”。

現在的天線(xiàn)，安裝時(shí)都具備這個(gè)能力，一個(gè)機械臂，搞定。

但是，機械下傾也存在一個(gè)問(wèn)題——

采用機械下傾時(shí)，天線(xiàn)垂直分量和水平分量的幅值是不變的，所以天線(xiàn)方向圖嚴重變形 。

這肯定不行啊，影響了信號覆蓋。于是，我們采用了另外一種辦法，就是電調下傾，簡(jiǎn)稱(chēng)電下傾。

簡(jiǎn)而言之，電下傾就是保持天線(xiàn)本體的物理角度不變，通過(guò)調整天線(xiàn)的振子相位，改變場(chǎng)強強度。

來(lái)個(gè)動(dòng)圖，就看明白了：

相比于機械下傾，電下傾的天線(xiàn)方向圖變化不大，下傾度數更大，而且，前瓣和后瓣都朝下。

當然啦，在實(shí)際使用中，經(jīng)常會(huì )機械下傾和電調下傾配合使用。

下傾之后，就變成了這樣——

在這種情況下，天線(xiàn)的主要輻射范圍，得到了較充分的利用。

但是，還是有問(wèn)題存在的：

1 主瓣和下旁瓣之間，有一個(gè)下部零深，會(huì )造成這個(gè)位置的信號盲區。通常，我們稱(chēng)之為“燈下黑”。

2 上旁瓣的角度較高，影響距離較遠，很容易造成越區干擾，也就是說(shuō)，信號會(huì )影響到別的小區。

所以，我們必須努力填補“下部零深”的空缺，壓制“上旁瓣”的強度。

具體的辦法，就是調節旁瓣的電平，采用波束賦形等手段，里面的技術(shù)細節就有點(diǎn)復雜了。

這里面的學(xué)問(wèn)，真的很深，所以，無(wú)數的天線(xiàn)專(zhuān)家都在鉆研這方面的課題，不斷地研發(fā)、測試。

大家感興趣的話(huà)，可以自行搜索相關(guān)資料。

到了這里，對天線(xiàn)的最重要的指標：“增益”的解釋就水到渠成了。

顧名思義，增益就是指天線(xiàn)能把信號增強。按理說(shuō)天線(xiàn)時(shí)不需要電源的，只是把傳給它的電磁波發(fā)射出去，怎么又會(huì )有“增益呢”？

其實(shí)，有沒(méi)有“增益”，關(guān)鍵看跟誰(shuí)比，怎么比。

如下圖所示，相對于理想的點(diǎn)輻射源和半波振子，天線(xiàn)在可以把能量聚集在主瓣方向，能把電磁波發(fā)送地更遠，相當于在主瓣方向上增強了。也就是說(shuō)，所謂增益是在某個(gè)方向上相對于點(diǎn)輻射源或者半波振子來(lái)說(shuō)的。

那么，到底怎么衡量天線(xiàn)主波瓣的覆蓋范圍和增益呢？這就需要再引入一個(gè)“波束寬度”的概念。我們把主瓣上中心線(xiàn)兩側電磁波強度衰減到一半時(shí)的范圍稱(chēng)為波束寬度。

因為強度衰減一半，也就是3dB，所以波束寬度也叫“半功率角”，或者“3dB功率角”。

常見(jiàn)的天線(xiàn)半功率角以60°居多，也有窄一些的33°天線(xiàn)。半功率角越窄，主瓣方向信號傳播地越遠，增益就越高。

下來(lái)我們把天線(xiàn)的水平方向圖和垂直方向圖結合起來(lái)，就得到了立體圖輻射圖，看起來(lái)直觀(guān)多了。

顯然，后瓣的存在破壞了定向天線(xiàn)的方向性，是要極力縮小的。前后波瓣之間的能量比值叫做“前后比”，這個(gè)值越大越好，是天線(xiàn)的重要指標。

上旁瓣的寶貴的功率白白地發(fā)射向了天空，也是不小的浪費，所以在設計定向天線(xiàn)時(shí)要盡量把上旁瓣抑制到最小。

另外，主瓣和下旁瓣之間有一些空洞，也稱(chēng)為下部零陷，導致離天線(xiàn)較近的地方信號不好，在設計天線(xiàn)的時(shí)候要盡量減少這些空洞，稱(chēng)作“零點(diǎn)填充”。

三、與天線(xiàn)坦誠相見(jiàn)

大家注意到?jīng)]，這些振子的角度，有一定的規律：要么是“＋”，要么是“×”。

嗯，這就是前面我們提到的“極化”。

前面已經(jīng)提到過(guò)，電磁波的傳播本質(zhì)上是電磁場(chǎng)的傳播，而電場(chǎng)是有方向的。

如果電場(chǎng)方向垂直于地面，我們稱(chēng)它為垂直極化波。同理，平行于地面，就是水平極化波。

如果電場(chǎng)的方向和地面成45°夾角，我們就其稱(chēng)為±45°極化。

由于電磁波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時(shí)會(huì )在大地表面產(chǎn)生極化電流，從而使電場(chǎng)信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。

作為折中優(yōu)化方案，現在主流的天線(xiàn)都是采用的±45°兩種極化方式疊加起來(lái)，由兩個(gè)振子在一個(gè)單元內形成兩個(gè)正交的極化波，被稱(chēng)為雙極化。這種實(shí)現方式在保證性能的同時(shí)，也使得天線(xiàn)的集成度大大提高。

這就是天線(xiàn)示意圖里面喜歡畫(huà)上若干個(gè)叉叉的原因，這些叉叉既形象地表示了極化方向，也表示了振子的數量。

有了高增益的定向天線(xiàn)，直接掛在塔上就可以了嗎？

顯然，掛地低了建筑物遮擋太多，不行；掛高了，空中又沒(méi)人，白白浪費信號，而且讓信號傳得太遠的話(huà)，基站還可以勉強接受，但手機的發(fā)射功率太小，發(fā)了基站也收不到。

電子下傾的簡(jiǎn)單，方便也不是憑空而來(lái)，而是經(jīng)過(guò)了業(yè)界的共同努力才實(shí)現的。

2001年，幾個(gè)天線(xiàn)廠(chǎng)家湊在一起，成立了一個(gè)叫做AISG ( 天線(xiàn)接口標準組Antenna Interface Standards Group )的組織，想要把電調天線(xiàn)的接口標準化。

截止目前，已經(jīng)有了兩個(gè)版本的協(xié)議：AISG 1.0和AISG 2.0。

有了這兩個(gè)協(xié)議，即使天線(xiàn)和基站是由不同廠(chǎng)家的生產(chǎn)的，只要它們都遵從相同的AISG協(xié)議，它們之間就能互相傳遞天線(xiàn)下傾角的控制信息，實(shí)現下傾角的遠程調整。

隨著(zhù)AISG協(xié)議的向后演進(jìn)，不但垂直方向的下傾角可以遠程調整，連水平方向的方位角，還有主波瓣的寬度和增益都可以遠程調整了。

并且，由于各運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)頻段越來(lái)越多，加之MIMO等技術(shù)對天線(xiàn)端口數量的要求劇增，天線(xiàn)也逐漸由單頻雙端口向多頻多端口演進(jìn)。

天線(xiàn)的原理看似簡(jiǎn)單，但對性能精益求精的追求卻沒(méi)有止境。本文到此，也只是定性地描述了基站的基本知識，至于里面更深的奧妙，如何更好地支持向5G的演進(jìn)，一波波的通信人還在上下而求索。

天線(xiàn)測試暗室

一款優(yōu)秀的天線(xiàn)，離不開(kāi)良好的工藝，可靠的材料，還有不斷的測試。

好啦，文章寫(xiě)到這里，就該結束啦！

能看到這里的，絕對都是真愛(ài)??！

實(shí)際上，天線(xiàn)的知識還有很多，遠不止本文所述。

總之，天線(xiàn)確實(shí)是一門(mén)精深的學(xué)問(wèn)，遠比大家想象得復雜。而且，目前也處于高速發(fā)展的階段，還有很大的潛力可以挖掘。

尤其是即將到來(lái)的5G，天線(xiàn)技術(shù)革新是其中的重中之重，各大設備廠(chǎng)家一定會(huì )在5G天線(xiàn)上全力以赴，做足文章。

到時(shí)候會(huì )有什么樣的天線(xiàn)黑科技出現？讓我們拭目以待吧！