零基礎(chǔ)學(xué)天線！看完你就是半個(gè)天線專家了！

以下文章來源于公眾號5G通信射頻有源無源濾波器天線 ，作者哥5G

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

看完本篇關(guān)于天線的介紹，你將會了解：

① 到底什么是天線？

② 天線是怎樣發(fā)射信號的？

③ 天線有哪些關(guān)鍵指標(biāo)？

一、揭開天線的面紗

眾所周知，天線是基站和手機(jī)發(fā)射信號用的。

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

與此類似，在人類世界里，無線通信也是通過天線來傳遞信息的，只不過傳遞的是承載著有用信息的電磁波。下圖就是手機(jī)和基站之間相互通信的一個(gè)示例。

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

說到天線，大多數(shù)人最?？吹降木褪羌依餆o線路由器的天線了。

就是這一根根棍子一樣的天線，讓我們能享受到飛一樣的網(wǎng)速。

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

對稱振子是迄今最為經(jīng)典，使用最為廣泛的天線。

理論還是有點(diǎn)枯燥啊，趕緊的，我們來結(jié)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(tǒng)形態(tài)，它還有N種變（身）態(tài)：

造型怪異的振子

懵逼了吧？如果說振子就是天線，那這哪里是天線嘛？我們現(xiàn)實(shí)生活中看到的天線不是這個(gè)鳥樣?。?/span>

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

而天線的形態(tài)，實(shí)在是太TM多了。。。多了。。。了。。。

總而言之，成百上千。。。

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

如果按照外型來分，常見的幾種，如下圖：

拋物面天線，就像一個(gè)個(gè)巨大的鍋一樣，蔚為壯觀。雷達(dá)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：八木天線并不是八根木頭，雖然我數(shù)學(xué)不好，但是八我還是數(shù)得來的。之所以叫八木，是因?yàn)樗嵌兰o(jì)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”，簡稱“八木天線”（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)微波信號來傳遞信息的微波天線。微波這類電磁波的波長很短，主要以直線傳播，收發(fā)天線要相互對準(zhǔn)才能工作，在無線通信中主要用作傳輸。

我們通信汪最關(guān)心的，當(dāng)然是——通信基站天線！

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

基站天線一般分為室內(nèi)天線和室外天線。

室內(nèi)天線通常包括全向吸頂天線和定向壁掛天線等。

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

就是一根棒子，有粗的，也有細(xì)的。

它里面的振子，是這樣的：

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

相比全向天線，現(xiàn)實(shí)工作生活中，定向天線使用最為廣泛。

它大部分時(shí)候看上去就是一個(gè)板子，所以叫板狀天線。

板狀天線，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(hù)（天線罩）

內(nèi)部空蕩蕩的，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜嘛，就是由振子，反射板，饋電網(wǎng)絡(luò)和天線罩組成。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是做什么的，怎樣就實(shí)現(xiàn)了定向發(fā)射接收信號的功能呢？

這一切就要從電磁波來說起了。

二、剝開天線的外衣

天線之所以能高速地傳遞信息，就是因?yàn)樗馨演d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(dá)接收天線。

這就好像用高速列車運(yùn)送乘客一樣，如果把信息比作乘客，那么運(yùn)送乘客的工具：高速列車就是電磁波，而天線就相當(dāng)于車站，負(fù)責(zé)管理調(diào)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，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場又產(chǎn)生電場。最終這個(gè)理論被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

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

如上圖所示，紅色的線表示電場，藍(lán)色的線表示磁場，電磁波的傳播方向同時(shí)垂直于電場和磁場的方向。

天線就是一個(gè)“轉(zhuǎn)換器”——把傳輸線上傳播的導(dǎo)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。

天線的作用

什么叫導(dǎo)行波？

簡單來說，導(dǎo)行波就是一種電線上的電磁波。

那么，天線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(dǎo)線就叫做“振子”。一般情況下，振子的大小在半個(gè)波長的時(shí)候效果最好，所以也經(jīng)常被稱作“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，就有了磁場，有了磁場，就有了電場，如此循環(huán)，就有了電磁場和電磁波。。。

電生磁，磁生電

再來個(gè)動(dòng)圖，大家感受一下這個(gè)優(yōu)美的過程：

導(dǎo)線電流方向的變化，產(chǎn)生了變化的電場

半波振子把電磁波源源不斷地向空間傳播，但信號強(qiáng)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(yuǎn)一些，畢竟需要打電話的人都在地上；垂直方向就到高空了，高空中也沒啥需要邊飛邊刷抖音的人（航線覆蓋是另外一個(gè)話題，下次再講），因此，在電磁波能量的發(fā)射上，需要增強(qiáng)水平方向，削弱垂直方向。

根據(jù)能量守恒原理，能量既不會增加也不會減少，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(biāo)準(zhǔn)半波陣子的能量輻射方向圖拍扁了。

怎樣才能讓這個(gè)天線的輻射距離更遠(yuǎn)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(shù)量。多個(gè)振子的發(fā)射在中心匯聚起來，邊緣的能量的到了削弱，就實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中，定向天線的使用最為普遍。一般情況下，一個(gè)基站被劃分為3個(gè)扇區(qū)，用3個(gè)天線來覆蓋，每個(gè)天線覆蓋120度的范圍。

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

那么，天線是怎樣實(shí)現(xiàn)電磁波的定向發(fā)射呢？

這當(dāng)然難不倒聰明的設(shè)計(jì)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(yuǎn)，再增加反射板控制方向，經(jīng)過這么兩下折騰，定向天線的雛形誕生，電磁波的發(fā)射方向變成了下圖這樣。

圖中，輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣，屁股上還會有一點(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？

抱著它站在馬路上，肯定是不行的，障礙物太多。

站得高，看得遠(yuǎn)，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，很簡單啊，天線本體往下傾斜不就OK啦？

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

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

但是，機(jī)械下傾也存在一個(gè)問題——

采用機(jī)械下傾時(shí)，天線垂直分量和水平分量的幅值是不變的，所以天線方向圖嚴(yán)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(diào)下傾，簡稱電下傾。

簡而言之，電下傾就是保持天線本體的物理角度不變，通過調(diào)整天線的振子相位，改變場強(qiáng)強(qiáng)度。

來個(gè)動(dòng)圖，就看明白了：

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

當(dāng)然啦，在實(shí)際使用中，經(jīng)常會機(jī)械下傾和電調(diào)下傾配合使用。

下傾之后，就變成了這樣——

在這種情況下，天線的主要輻射范圍，得到了較充分的利用。

但是，還是有問題存在的：

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

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

所以，我們必須努力填補(bǔ)“下部零深”的空缺，壓制“上旁瓣”的強(qiáng)度。

具體的辦法，就是調(diào)節(jié)旁瓣的電平，采用波束賦形等手段，里面的技術(shù)細(xì)節(jié)就有點(diǎn)復(fù)雜了。

這里面的學(xué)問，真的很深，所以，無數(shù)的天線專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，可以自行搜索相關(guān)資料。

到了這里，對天線的最重要的指標(biāo)：“增益”的解釋就水到渠成了。

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

其實(shí)，有沒有“增益”，關(guān)鍵看跟誰比，怎么比。

如下圖所示，相對于理想的點(diǎn)輻射源和半波振子，天線在可以把能量聚集在主瓣方向，能把電磁波發(fā)送地更遠(yuǎn)，相當(dāng)于在主瓣方向上增強(qiáng)了。也就是說，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說的。

那么，到底怎么衡量天線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兩側(cè)電磁波強(qiáng)度衰減到一半時(shí)的范圍稱為波束寬度。

因?yàn)閺?qiáng)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”。

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

下來我們把天線的水平方向圖和垂直方向圖結(jié)合起來，就得到了立體圖輻射圖，看起來直觀多了。

顯然，后瓣的存在破壞了定向天線的方向性，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，是天線的重要指標(biāo)。

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(fèi)，所以在設(shè)計(jì)定向天線時(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，也稱為下部零陷，導(dǎo)致離天線較近的地方信號不好，在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候要盡量減少這些空洞，稱作“零點(diǎn)填充”。

三、與天線坦誠相見

大家注意到?jīng)]，這些振子的角度，有一定的規(guī)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，電磁波的傳播本質(zhì)上是電磁場的傳播，而電場是有方向的。

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

如果電場的方向和地面成45°夾角，我們就其稱為±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)會在大地表面產(chǎn)生極化電流，從而使電場信號迅速衰減，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(xiàn)在主流的天線都是采用的±45°兩種極化方式疊加起來，由兩個(gè)振子在一個(gè)單元內(nèi)形成兩個(gè)正交的極化波，被稱為雙極化。這種實(shí)現(xiàn)方式在保證性能的同時(shí)，也使得天線的集成度大大提高。

這就是天線示意圖里面喜歡畫上若干個(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(shù)量。

有了高增益的定向天線，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，空中又沒人，白白浪費(fèi)信號，而且讓信號傳得太遠(yuǎn)的話，基站還可以勉強(qiáng)接受，但手機(jī)的發(fā)射功率太小，發(fā)了基站也收不到。

電子下傾的簡單，方便也不是憑空而來，而是經(jīng)過了業(yè)界的共同努力才實(shí)現(xiàn)的。

2001年，幾個(gè)天線廠家湊在一起，成立了一個(gè)叫做AISG ( 天線接口標(biāo)準(zhǔn)組Antenna Interface Standards Group )的組織，想要把電調(diào)天線的接口標(biāo)準(zhǔn)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，即使天線和基站是由不同廠家的生產(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下傾角的控制信息，實(shí)現(xiàn)下傾角的遠(yuǎn)程調(diào)整。

隨著AISG協(xié)議的向后演進(jìn)，不但垂直方向的下傾角可以遠(yuǎn)程調(diào)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(yuǎn)程調(diào)整了。

并且，由于各運(yùn)營商的無線頻段越來越多，加之MIMO等技術(shù)對天線端口數(shù)量的要求劇增，天線也逐漸由單頻雙端口向多頻多端口演進(jìn)。

天線的原理看似簡單，但對性能精益求精的追求卻沒有止境。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。

天線測試暗室

一款優(yōu)秀的天線，離不開良好的工藝，可靠的材料，還有不斷的測試。

好啦，文章寫到這里，就該結(jié)束啦！

能看到這里的，絕對都是真愛??！

實(shí)際上，天線的知識還有很多，遠(yuǎn)不止本文所述。

總之，天線確實(shí)是一門精深的學(xué)問，遠(yuǎn)比大家想象得復(fù)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。

尤其是即將到來的5G，天線技術(shù)革新是其中的重中之重，各大設(shè)備廠家一定會在5G天線上全力以赴，做足文章。

到時(shí)候會有什么樣的天線黑科技出現(xiàn)？讓我們拭目以待吧！