零基础学天线！看完你就是半个天线专家了！

以下文章来源于公家号5G通信射频有源无源滤波器天线 ，做者哥5G

基站的天线，比基站自己更为夺目。“天线”那两个字，也不像它们看上去那样简单。但是，我们会尽利巴它说得简单有趣。

看完本篇关于天线的介绍，你将会领会：

① 到底什么是天线？

② 天线是如何发射信号的？

③ 天线有哪些关键目标？

一、揭开天线的面纱

寡所周知，天线是基站和手机发射信号用的。

天线那个词的英文是Antenna，原意为触须的意思。触须就是虫豸头顶上的两根长长的细丝，可别小瞧如许不起眼的玩意儿，虫豸恰是由那些触角发送的各类化学信号来传递各类社交信息的。

与此类似，在人类世界里，无线通信也是通过天线来传递信息的，只不外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彼此通信的一个示例。

那么现实中的天线都长什么样呢？因为用处的差别，天线的形态其实是太多了，大到领受电视信号的锅（抛物面天线），小到隐藏在手机中的天线，因功用差别而形态各别。

说到天线，大大都人最常看到的就是家里无线路由器的天线了。

就是那一根根棍子一样的天线，让我们能享遭到飞一样的网速。

就像盲人摸象一样，每种分类体例都只能描述天线的一个侧面或者一类特征，把那些分类法所针对的特征全数糅合起来才气看清天线的全貌。

对称振子是迄今最为典范，利用最为普遍的天线。

理论仍是有点枯燥啊，赶紧的，我们来连系一下实物。

实在世界中的振子，是个什么样？

Duang！就是如许——

就是那么个金属片。。。半波对称振子（非折合）

好吧，其实上面那个只是振子的一个传统形态，它还有N种变（身）态：

外型奇异的振子

懵逼了吧？若是说振子就是天线，那那哪里是天线嘛？我们现实生活中看到的天线不是那个鸟样啊？

切当地说，振子不是一个完好的天线。振子是天线的核心部件，形态会随天线的形态变革而变革。

而天线的形态，其实是太TM多了。。。多了。。。了。。。

总而言之，成百上千。。。

固然天线的形态光怪陆离，但是按照类似度，也能够停止大致归类。

若是根据外型来分，常见的几种，如下图：

鞭状天线

抛物面天线，就像一个个庞大的锅一样，蔚为壮不雅。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的标的目的，那个外形长短常合适的。

抛物面天线

八木天线

PS：八木天线并非八根木头，固然我数学欠好，但是八我仍是数得来的。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创造的，叫“八木宇田天线”，简称“八木天线”（可怜的宇田）

下面的那些“锅”就要小一些了，那就是用于收发微波信号来传递信息的微波天线。微波那类电磁波的波长很短，次要以曲线传布，收发天线要彼此瞄准才气工做，在无线通信中次要用做传输。

我们通信汪最关心的，当然是——通信基站天线！

基站天线，是基站天馈系统的构成部门，也是挪动通信系统的重要构成部门。

基站天线一般分为室内天线和室外天线。

室内天线凡是包罗全向吸顶天线和定向壁挂天线等。

望文生义，全向天线能够360°无死角收发信号，室外全向天线，以及用于室内笼盖的吸顶天线。

就是一根棒子，有粗的，也有细的。

它里面的振子，是如许的：

回到本文的配角：定向天线。要揭开那货奥秘的面纱，就要拆开来看看内部到底拆了些什么工具。

比拟全向天线，现实工做生活中，定向天线利用最为普遍。

它大部门时候看上去就是一个板子，所以叫板状天线。

板状天线，次要由以下部门构成：

内部空荡荡的，构造其实不复杂嘛，就是由振子，反射板，馈电收集和天线罩构成。那些内部构造都是做什么的，如何就实现了定向发射领受信号的功用呢？

那一切就要从电磁波来说起了。

二、剥开天线的外套

天线之所以能高速地传递信息，就是因为它能把载有信息的电磁波发射到空气中，以光速停止传布，最末抵达领受天线。

那就仿佛用高速列车运送乘客一样，若是把信息比做乘客，那么运送乘客的东西：高速列车就是电磁波，而天线就相当于车站，负责办理调度电磁波的发送。

那么，什么是电磁波呢？

科学家对电和磁那两种奥秘力量研究了上百年，最末英国的麦克斯韦提出：电流能在其周边产生电场，变革的电场产生磁场，变革的磁场又产生电场。最末那个理论被赫兹的尝试所证明。

电磁场在如许的周期性变更中，电磁波就辐射出来，向空间传布。详情见文章：“电磁波看不见摸不着，那个年轻人的奇思妙想改动了世界”。

如上图所示，红色的线暗示电场，蓝色的线暗示磁场，电磁波的传布标的目的同时垂曲于电场和磁场的标的目的。

天线就是一个“转换器”——把传输线上传布的导行波，变更成在自在空间中传布的电磁波，或者停止相反的变更。

天线的感化

什么叫导行波？

简单来说，导行波就是一种电线上的电磁波。

那么，天线是如何把那些电磁波发送进来的呢？看完下图就大白了。

上面那种产生电磁波的那两根导线就叫做“振子”。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果更好，所以也经常被称做“半波振子”。

有了振子，电磁波就能够源源不竭地往外发射了。如下图所示。

有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，如斯轮回，就有了电磁场和电磁波。。。

电生磁，磁生电

再来个动图，各人感触感染一下那个漂亮的过程：

导线电流标的目的的变革，产生了变革的电场

半波振子把电磁波源源不竭地向空间传布，但信号强度在空间上的散布却其实不平均，像是轮胎一样的环形。

但现实上，我们基站的笼盖需要在程度标的目的上更远一些，究竟结果需要打德律风的人都在地上；垂曲标的目的就到高空了，高空中也没啥需要边飞边刷抖音的人（航路笼盖是别的一个话题，下次再讲），因而，在电磁波能量的发射上，需要加强程度标的目的，削弱垂曲标的目的。

按照能量守恒原理，能量既不会增加也不会削减，若是要进步程度标的目的的发射能量，就要削弱垂曲标的目的的能量。因而就只要把尺度半波阵子的能量辐射标的目的图拍扁了。

如何才气让那个天线的辐射间隔更远呢？

谜底就是——

拍它。。。

啪叽！

那么如何拍扁呢？谜底就是增加半波振子的数量。多个振子的发射在中心会聚起来，边沿的能量的到了削弱，就实现了拍扁辐射标的目的，集中程度标的目的能量的目标。

在一般的宏基站系统中，定向天线的利用最为遍及。一般情况下，一个基站被划分为3个扇区，用3个天线来笼盖，每个天线笼盖120度的范畴。

上图是一个片区域的基站笼盖规划图，我们能够清晰地看出，每个基站都由三个扇区构成，每个扇区用差别的颜色暗示，也就需要三副定向天线来实现。

那么，天线是如何实现电磁波的定向发射呢？

那当然难不倒伶俐的设想师。给振子增加反射板，把本该向别的一边的辐射的信号反射回来不就行了么？

就如许增加振子让电磁波在程度标的目的传得更远，再增加反射板控造标的目的，颠末那么两下折腾，定向天线的雏形降生，电磁波的发射标的目的酿成了下图如许。

图中，辐射强度更大的瓣称为主瓣，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，那个外型，有点像。。。茄子？

关于那个“茄子”，你能够想一想，如何才气更大化操纵它停止信号笼盖呢？

抱着它站在马路上，必定是不可的，障碍物太多。

站得高，看得远，我们必定要往高处走啊。

到了高处，怎么才气往下照呢？伶俐如我的你，必然想到了，很简单啊，天线本体往下倾斜不就OK啦？

是的，在安拆时，间接倾斜天线，是一个法子，我们称之为“机械下倾”。

如今的天线，安拆时都具备那个才能，一个机械臂，搞定。

但是，机械下倾也存在一个问题——

接纳机械下倾时，天线垂曲重量和程度重量的幅值是稳定的，所以天线标的目的图严峻变形 。

那必定不可啊，影响了信号笼盖。于是，我们接纳了别的一种法子，就是电调下倾，简称电下倾。

简而言之，电下倾就是连结天线本体的物理角度稳定，通过调成天线的振子相位，改动场强强度。

来个动图，就看大白了：

比拟于机械下倾，电下倾的天线标的目的图变革不大，下倾度数更大，并且，前瓣和后瓣都朝下。

当然啦，在现实利用中，经常会机械下倾和电调下倾共同利用。

下倾之后，就酿成了如许——

在那种情况下，天线的次要辐射范畴，得到了较充实的操纵。

但是，仍是有问题存在的：

1 主瓣和下旁瓣之间，有一个下部零深，会形成那个位置的信号盲区。凡是，我们称之为“灯下黑”。

2 上旁瓣的角度较高，影响间隔较远，很容易形成越区干扰，也就是说，信号会影响到此外小区。

所以，我们必需勤奋填补“下部零深”的空缺，压造“上旁瓣”的强度。

详细的法子，就是调理旁瓣的电平，接纳波束赋形等手段，里面的手艺细节就有点复杂了。

那里面的学问，实的很深，所以，无数的天线专家都在研究那方面的课题，不竭地研发、测试。

各人感兴趣的话，能够自行搜刮相关材料。

到了那里，对天线的最重要的目标：“增益”的解释就水到渠成了。

望文生义，增益就是指天线能把信号加强。按理说天线时不需要电源的，只是把传给它的电磁波发射进来，怎么又会有“增益呢”？

其实，有没有“增益”，关键看跟谁比，怎么比。

如下图所示，相关于抱负的点辐射源和半波振子，天线在能够把能量聚集在主瓣标的目的，能把电磁波发送地更远，相当于在主瓣标的目的上加强了。也就是说，所谓增益是在某个标的目的上相关于点辐射源或者半波振子来说的。

那么，到底怎么权衡天线主波瓣的笼盖范畴和增益呢？那就需要再引入一个“波束宽度”的概念。我们把主瓣上中心线两侧电磁波强度衰减到一半时的范畴称为波束宽度。

因为强度衰减一半，也就是3dB，所以波束宽度也叫“半功率角”，或者“3dB功率角”。

常见的天线半功率角以60°居多，也有窄一些的33°天线。半功率角越窄，主瓣标的目的信号传布地越远，增益就越高。

下来我们把天线的程度标的目的图和垂曲标的目的图连系起来，就得到了立体图辐射图，看起来曲不雅多了。

显然，后瓣的存在毁坏了定向天线的标的目的性，是要死力缩小的。前后波瓣之间的能量比值叫做“前后比”，那个值越大越好，是天线的重要目标。

上旁瓣的贵重的功率白白地发射向了天空，也是不小的浪费，所以在设想定向天线时要尽量把上旁瓣按捺到最小。

别的，主瓣和下旁瓣之间有一些浮泛，也称为下部零陷，招致离天线较近的处所信号欠好，在设想天线的时候要尽量削减那些浮泛，称做“零点填充”。

三、与天线坦诚相见

各人留意到没，那些振子的角度，有必然的规律：要么是“＋”，要么是“×”。

嗯，那就是前面我们提到的“极化”。

前面已经提到过，电磁波的传布素质上是电磁场的传布，而电场是有标的目的的。

若是电场标的目的垂曲于空中，我们称它为垂曲极化波。同理，平行于空中，就是程度极化波。

若是电场的标的目的和空中成45°夹角，我们就其称为±45°极化。

因为电磁波的特征，决定了程度极化传布的信号在切近空中时会在大地外表产生极化电流，从而使电场信号敏捷衰减，而垂曲极化体例则不容易产生极化电流，从而制止了能量的大幅衰减，包管了信号的有效传布。

做为折中优化计划，如今支流的天线都是接纳的±45°两种极化体例叠加起来，由两个振子在一个单位内构成两个正交的极化波，被称为双极化。那种实现体例在包管性能的同时，也使得天线的集成度大大进步。

那就是天线示企图里面喜好画上若干个叉叉的原因，那些叉叉既形象地暗示了极化标的目的，也暗示了振子的数量。

有了高增益的定向天线，间接挂在塔上就能够了吗？

显然，挂地低了建筑物遮挡太多，不可；挂高了，空中又没人，白白浪费信号，并且让信号传得太远的话，基站还能够勉强承受，但手机的发射功率太小，发了基站也收不到。

电子下倾的简单，便利也不是凭空而来，而是颠末了业界的通力合作才实现的。

2001年，几个天线厂家凑在一路，成立了一个叫做AISG ( 天线接口尺度组Antenna Interface Standards Group )的组织，想要把电调天线的接口尺度化。

截行目前，已经有了两个版本的协议：AISG 1.0和AISG 2.0。

有了那两个协议，即便天线和基站是由差别厂家的消费的，只要它们都遵从不异的AISG协议，它们之间就能互相传递天线下倾角的控造信息，实现下倾角的长途调整。

跟着AISG协议的向后演进，不单垂曲标的目的的下倾角能够长途调整，连程度标的目的的方位角，还有主波瓣的宽度和增益都能够长途调整了。

而且，因为各运营商的无线频段越来越多，加之MIMO等手艺对天线端口数量的要求剧增，天线也逐步由单频双端口向多频多端口演进。

天线的原理看似简单，但对性能不断改进的逃求却没有行境。本文到此，也只是定性地描述了基站的根本常识，至于里面更深的奇妙，若何更好地撑持向5G的演进，一波波的通信人还在上下而求索。

天线测试暗室

一款优良的天线，离不开优良的工艺，可靠的质料，还有不竭的测试。

好啦，文章写到那里，就该完毕啦！

能看到那里的，绝对都是实爱啊！

现实上，天线的常识还有良多，远不行本文所述。

总之，天线确实是一门精深的学问，远比各人想象得复杂。并且，目前也处于高速开展的阶段，还有很大的潜力能够发掘。

尤其是即将到来的5G，天线手艺改革是此中的重中之重，各大设备厂家必然会在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呈现？让我们拭目以待吧！

5G天线（大规模天线阵列）

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