史上超详细的天线知识

      本文面向零基础读者，专业或非专业人士，皆可阅读，绝对通俗易懂，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。

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，它是唯一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。

      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。

      对称振子是迄今最为经典，使用最为广泛的天线。

      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（身）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？

      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和室外天线。

      室内天线通常包括全向吸顶天线和定向壁挂天线等。

      我们重点说说室外的。

      室外基站天线也分为全向的和定向的。定向天线再细分为定向单极化天线和定向双极化天线。

      什么是极化？别急，我们待会再说。我们先说说全向和定向。

      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，定向天线使用最为广泛。

      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”。

      最后，我们得到的辐射形状，是这样的：

      图中，辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，屁股上还会有一点尾巴，叫后瓣。

      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。