今天給大家介紹的，是天線通信設(shè)備。
天線，在我們生活中是一種很常見的通訊設(shè)備。但大部分人其實(shí)對(duì)它并不了解，可能只是知道它可以收發(fā)信號(hào)而已。
為此，本著科普精神，一個(gè)不能少的原則，跟大家好好聊聊這個(gè)有意思的東東。
本文面向零基礎(chǔ)讀者，專業(yè)或非專業(yè)人士，皆可閱讀，絕對(duì)通俗易懂，干貨滿滿。
話不多說(shuō)，直入正題！
話說(shuō)，自從1894年科學(xué)家波波夫成功發(fā)明了天線之后，這玩意迄今已有124年的歷史。
在這漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河之中，天線對(duì)人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步做出了卓絕的貢獻(xiàn)。
如今，不管是老百姓日常工作生活，還是科學(xué)家進(jìn)行科研探索，都離不開天線君的默默奉獻(xiàn)。
那天線究竟是一根什么樣的“線”，為什么會(huì)如此徹底地改變我們的生活？
其實(shí)，天線之所以牛逼，就是因?yàn)殡姶挪ㄅ１啤?/span>
電磁波之所以牛逼，一個(gè)主要原因就是，它是唯一能夠不依賴任何介質(zhì)進(jìn)行傳播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能來(lái)去自如，而且轉(zhuǎn)瞬即至。
電磁波傳播示意圖
但要想充分利用這股“神秘力量”，就需要使用到天線啦。
在無(wú)線電設(shè)備中，天線就是用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置。
天線的英文名：Antenna（也有觸須、直覺之意）
再通俗點(diǎn)，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
什么叫天線導(dǎo)行波？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，導(dǎo)行波就是一種電線上的電磁波。
天線是怎么實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波和空間波之間轉(zhuǎn)換的呢？
看下圖：
中學(xué)物理我們學(xué)過(guò)，兩根平行導(dǎo)線，有交變電流時(shí)，就會(huì)形成電磁波輻射。
兩根導(dǎo)線很近時(shí)，輻射很微弱（導(dǎo)線電流方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎抵消）。
兩根導(dǎo)線張開，輻射就會(huì)增強(qiáng)（導(dǎo)線電流方向相同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同）。
而當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到波長(zhǎng)的1/4時(shí)，就能形成較為可觀的輻射效果！
有了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，我們就有了電磁波。
而產(chǎn)生電磁場(chǎng)的這兩根導(dǎo)線，就叫做天線振子。
通常兩臂長(zhǎng)度相同，所以叫對(duì)稱振子。
長(zhǎng)度像下面這樣的，叫做半波對(duì)稱振子。
半波對(duì)稱振子
把導(dǎo)線兩頭連起來(lái)，就變成了半波對(duì)稱折合振子。
半波對(duì)稱折合振子
有點(diǎn)像刷墻的油漆刷子。
對(duì)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(lái)結(jié)合一下實(shí)物。
真實(shí)世界中的振子，是個(gè)什么樣？
就是這個(gè)樣子——
就是這么個(gè)金屬片，半波對(duì)稱振子（非折合）
好吧，其實(shí)上面那個(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
懵了吧？如果說(shuō)振子就是天線，那這哪里是天線嘛？我們現(xiàn)實(shí)生活中看到的天線也不是這個(gè)樣??？
確切來(lái)說(shuō)，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(huì)隨天線的形態(tài)變化而變化。
而天線的形態(tài)，實(shí)在是太多了，完全在挑戰(zhàn)著人類的想象力：
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。
按波長(zhǎng)分：中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線...
按性能分：高增益天線、中增益天線...
按指向分：全向天線、定向天線、扇區(qū)天線...
按用途分：基站天線、電視天線、雷達(dá)天線、電臺(tái)天線...
按結(jié)構(gòu)分：線天線、面天線...
按系統(tǒng)類型分：?jiǎn)卧炀€、天線陣...
……
如果按照外型來(lái)分，常見的幾種，如下圖：
鞭狀天線
拋物面天線
八木天線
PS：八木天線并不是八根木頭，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(jiǎn)稱“八木天線”（可憐的宇田）。
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。
我們重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)室外的。
室外基站天線也分為全向的和定向的。定向天線再細(xì)分為定向單極化天線和定向雙極化天線。
什么是極化？別急，我們待會(huì)再說(shuō)。我們先說(shuō)說(shuō)全向和定向。
其實(shí)顧名思義，全向天線就是向四周發(fā)射和接收信號(hào)的，而定向天線，是向指定方向。
室外全向天線，是這樣的：
就是一根棒子，有粗的，也有細(xì)的。
它里面的振子，是這樣的：
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，所以叫做板狀天線。
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）
之前我們看到那些奇怪形狀的振子，其實(shí)都是基站天線的振子。
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”。
無(wú)線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無(wú)線電波的極化。
如果電波的電場(chǎng)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。另外，還有±45°的極化。
不僅如此，電場(chǎng)的方向還可以是螺旋旋轉(zhuǎn)的，叫橢圓極化波。
雙極化，就是2個(gè)天線振子在一個(gè)單元內(nèi)，形成兩個(gè)獨(dú)立波。
采用雙極化天線，可以在小區(qū)覆蓋時(shí)減少天線的數(shù)量，降低天線架設(shè)的條件要求，進(jìn)而減少投資，還能保證覆蓋效果?？傊?，就是好處多多啦。
密集恐懼癥患者請(qǐng)閉上眼睛
我們繼續(xù)前面的全向和定向天線話題。
為什么定向天線可以控制信號(hào)的輻射方向呢？
我們先來(lái)看個(gè)圖：
這種圖，叫做天線方向圖。
因?yàn)榭臻g是三維立體的，所以這種從上往下的俯視，以及從前往后的正視，會(huì)更加清晰直觀地觀察到天線輻射強(qiáng)度的分布。
上圖也是一對(duì)半波對(duì)稱振子產(chǎn)生的天線方向圖，有點(diǎn)像個(gè)平放的輪胎。
話說(shuō)，天線的諸多特性中，一個(gè)很重要的能力，就是輻射距離。
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！
這下輻射距離不就遠(yuǎn)了嘛，我可真是太機(jī)智了。
但問(wèn)題來(lái)了，輻射這玩意，看不見抓不著，你想拍它，也拍不著啊。
在天線理論里，如果你想拍這一巴掌，正確的做法是——增加振子。
振子越多，輪胎越扁。
好了，輪胎被拍成了餅，信號(hào)距離是遠(yuǎn)了，而且，它是向周圍360°發(fā)散的，是個(gè)全向天線。這種天線，放在荒郊野外，是極好的。但是，在城市里，這種天線就很難玩得轉(zhuǎn)了。
城市里，人群密集，建筑林立，通常需要使用定向天線，對(duì)指定范圍進(jìn)行信號(hào)覆蓋。
城區(qū)基本上都是定向天線
于是乎，我們就需要對(duì)全向天線進(jìn)行“改造”。
首先，我們要想辦法把其中一側(cè)“擠一擠”：
怎么擠呢？我們加上反射板，擋在一側(cè)。然后，配合多個(gè)振子，進(jìn)行“聚焦”。
最后，我們得到的輻射形狀，就是這樣的：
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(huì)有一點(diǎn)尾巴，叫后瓣。
呃，這個(gè)造型，是不是有點(diǎn)像茄子？
對(duì)于這個(gè)“茄子”，你可以再想一想，怎樣才能最大化利用它進(jìn)行信號(hào)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？聰明的你，一定想到了，天線本體往下傾斜就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)械下傾存在著另一個(gè)問(wèn)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(hào)覆蓋。于是，我們采用了另外一種辦法，就是電調(diào)下傾，簡(jiǎn)稱電下傾。
簡(jiǎn)而言之，電下傾就是保持天線本體的物理角度不變，通過(guò)調(diào)整天線的振子相位，改變場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度。
來(lái)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(huì)機(jī)械下傾和電調(diào)下傾配合使用的。
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(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(hào)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(shuō)，信號(hào)會(huì)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。大家感興趣的話，可以自行搜索相關(guān)資料。
這里面的學(xué)問(wèn)，真的很深，所以，無(wú)數(shù)的天線專家都在鉆研這方面的課題，不斷地研發(fā)、測(cè)試。
上圖為天線測(cè)試暗室
一款優(yōu)秀的天線通信設(shè)備，離不開良好的工藝，可靠的材料，還有不斷的測(cè)試。
好啦，文章到這里，終于就要結(jié)束啦！能看到這里的，絕對(duì)都是真愛粉~
實(shí)際上，天線的知識(shí)還有很多，遠(yuǎn)不止本文所述。限于篇幅，今天還是先到這里吧。
總之，通信天線模塊確實(shí)是一門精深的學(xué)問(wèn)，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5G無(wú)線通信技術(shù)，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(huì)在5G天線上全力以赴，做足文章。
到時(shí)候會(huì)有什么樣的天線黑科技出現(xiàn)？讓我們拭目以待吧！
注：本文“黑洞”照片來(lái)源于Event Horizon Telescope組織。
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