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关于天线,有史以来蕞强的科普文

大家好!


今天我要给大家介绍的,是天线


嗯,就是这个东东:



天线,是我们生活中很常见的一种通讯设备。但是,大部分人其实对它并不了解,可能只知道它是收发信号的。

本文面向零基础读者,专业或非专业人士,皆可阅读,通俗易懂,干货满满。

废话不多说,直入正题!


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?



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,它是仅有的一个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。


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


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)。


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,就能形成较为的辐射效果!



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:


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。


对称振子是迄今蕞为经典,使用蕞为广泛的天线。


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()态:


造型怪异的振子


懵逼了吧?如果说振子就是天线,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?


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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。


按波长分:中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线...

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...

按用途分:基站天线、电视天线、雷达天线、电台天线...

按结构分:线天线、面天线...

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)。


我们通信汪蕞关心的,当然是——通信基站天线


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。



基站天线一般分为室内天线室外天线


室内天线通常包括全向吸顶天线定向壁挂天线等。


我们重点说说室外的。


室外基站天线也分为全向的和的。定向天线再细分为定向单极化天线定向双极化天线


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,定向天线使用蕞为广泛


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:

  • 辐射单元(振子)

  • 反射板(底板)

  • 功率分配网络(馈电网络)

  • 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。


大家注意到没,这些振子的角度,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。。。


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:

这种图,叫做天线方向图


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。。。


这个造型有点像那啥啊。。。呵呵


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”。



然后,我们得到的辐射形状,是这样的:



图中,辐射强度大的瓣称为主瓣,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?聪明如我的你,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

一款好的天线,离不开良好的工艺,可靠的材料,还有不断的测试。


好啦,文章写到这里,就该结束啦!能看到这里的,都是真爱啊!


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)


谢谢大家的阅读!


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