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揭開天線的面紗

眾所周知，天線是基站和手機發(fā)射信號用的。

天線這個詞的英文是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。下圖就是手機和基站之間相互通信的一個示例。

那么實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)人最常看到的就是家里無線路由器的天線了。

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。

在很久以前，聽廣播是件很時髦的事情，收音機上面都有一根能一節(jié)一節(jié)拉伸的長長的天線，這種天線和路由器天線如出一轍，叫做鞭狀天線，也叫伸縮天線或者拉桿天線。

在史前時代，每個城市的最高建筑必然是電視塔，電視也都是通過天線來接收從電視塔發(fā)來的信號的，其頂上的兩根觸角一樣的鞭狀天線形成了很多人對天線的最初印象。不論是形狀還是作用都和昆蟲的觸須完全類似。

除此之外，還有各種各樣，形形色色的不同類型的天線，按照不同的分類方法都可以給出不同的類型。

1、按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。

2、按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。

3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。

4、按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。

5、按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。

6、按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線。

7、天線根據(jù)使用場合的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。

就像盲人摸象一樣，每種分類方式都只能描述天線的一個側(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。

為了減少復雜度，我們就先以最直觀的分類方法為切入點，百聞不如一見，讓大家看看不同用途的真實天線是什么樣的。

下圖中的這種天線很多人應(yīng)該見過，在以前主要架在屋頂上，用于電視信號的接收（電視自帶的鞭狀天線實在是能力有限）。這種魚骨狀的天線就叫八木天線。

不用數(shù)到底天線上是不是有8根桿了。之所以叫八木天線這個名稱是因為它的發(fā)明者是個叫八木秀次的日本人。八木天線主要用于電視信號的接收，用于無線通信的場景不多。

下面這張圖是用于雷達的拋物面天線，就像一個個巨大的鍋一樣，蔚為壯觀。雷達在發(fā)射時須把能量集中輻射到需要照射的方向，這個形狀是非常適合的。

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)天線要相互對準才能工作，在無線通信中主要用作傳輸。

如果你仔細看上面這些圖，會發(fā)現(xiàn)在鐵塔的最上端，有一些板狀的東西，這就是本文的主角：通信天線（細分類型為定向天線：信號的收發(fā)在一定的方向上），最經(jīng)常和手機直接眉目傳情的就是這貨。

既然有定向天線，必然也會存在全向天線。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。

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。

內(nèi)部空蕩蕩的，結(jié)構(gòu)并不復雜嘛，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。

02

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剝開天線的外衣

天線之所以能高速地傳遞信息，就是因為它能把載有信息的電磁波發(fā)射到空氣中，以光速進行傳播，最終抵達接收天線。

這就好像用高速列車運送乘客一樣，如果把信息比作乘客，那么運送乘客的工具：高速列車就是電磁波，而天線就相當于車站，負責管理調(diào)度電磁波的發(fā)送。

那么，什么是電磁波呢？

科學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。最終這個理論被赫茲的實驗所證實。

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。

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

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線就叫做“振子”。一般情況下，振子的大小在半個波長的時候效果最好，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。

真實的振子長下圖這樣。

半波振子把電磁波源源不斷地向空間傳播，但信號強度在空間上的分布卻并不均勻，像是輪胎一樣的環(huán)形。

但實際上，我們基站的覆蓋需要在水平方向上更遠一些，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話題，下次再講），因此，在電磁波能量的發(fā)射上，需要增強水平方向，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。因此就只有把標準半波陣子的能量輻射方向圖拍扁了，如下圖所示。

那么怎樣拍扁呢？答案就是增加半波振子的數(shù)量。多個振子的發(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，一個基站被劃分為3個扇區(qū)，用3個天線來覆蓋，每個天線覆蓋120度的范圍。

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

那么，天線是怎樣實現(xiàn)電磁波的定向發(fā)射呢？

這當然難不倒聰明的設(shè)計師。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，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。

水平方的主瓣向發(fā)射地遠遠地，但垂直方向產(chǎn)生了上旁瓣和下旁瓣，同時由于反射不完全，后面還有個尾巴，稱為后瓣。

到了這里，對天線的最重要的指標：“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。按理說天線時不需要電源的，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，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，相當于在主瓣方向上增強了。也就是說，所謂增益是在某個方向上相對于點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“波束寬度”的概念。我們把主瓣上中心線兩側(cè)電磁波強度衰減到一半時的范圍稱為波束寬度。

因為強度衰減一半，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，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”，這個值越大越好，是天線的重要指標。

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，所以在設(shè)計定向天線時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，導致離天線較近的地方信號不好，在設(shè)計天線的時候要盡量減少這些空洞，稱作“零點填充”。

03

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與天線坦誠相見

下面再說天線的另一個重要概念：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，由兩個振子在一個單元內(nèi)形成兩個正交的極化波，被稱為雙極化。這種實現(xiàn)方式在保證性能的同時，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，白白浪費信號，而且讓信號傳得太遠的話，基站還可以勉強接受，但手機的發(fā)射功率太小，發(fā)了基站也收不到。

因此，這天線得對著有人的地面上發(fā)射信號，覆蓋的范圍還得控制住。這就需要把天線下傾一個角度，像路燈一樣，每根天線各自負責各自區(qū)域的覆蓋。

這就引入了天線下傾角的概念。

所有天線都在其安裝支架上設(shè)有帶角度刻度的旋鈕，通過扭動旋鈕來控制支架的機械運動，就可以調(diào)節(jié)下傾角了。所以，通過這種方式調(diào)整下傾角又叫機械下傾。

但這種方式有兩個明顯的弊端。

第一就是麻煩。為了做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整個角度，就需要工程師上站爬塔，實際效果咋樣還不好說，實在是不方便，成本高。

第二就是機械下傾這種調(diào)整方式太過簡單粗暴，而天線垂直分量和水平分量的幅值是不變，因此會導致覆蓋方向圖產(chǎn)生畸變。

費了這么大勁，調(diào)整前后的覆蓋完全變了，很難達到預期的效果，而且還由于后瓣的上翹導致對其他基站的干擾也增加了，因此機械下傾角只能小幅調(diào)整。

那么，有沒有更好的辦法呢？

辦法還真有，就是使用電子下傾。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向圖下傾。

也就是說，電子下傾無需真地讓天線傾斜，只需要工程師在電腦前，點點鼠標，用軟件調(diào)整就可以了。而且，電子下傾也不會引起輻射方向圖的畸變。

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

2001年，幾個天線廠家湊在一起，成立了一個叫做AISG ( 天線接口標準組Antenna Interface Standards Group )的組織，想要把電調(diào)天線的接口標準化。

截止目前，已經(jīng)有了兩個版本的協(xié)議：AISG 1.0和AISG 2.0。

有了這兩個協(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，實現(xiàn)下傾角的遠程調(diào)整。

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

并且，由于各運營商的無線頻段越來越多，加之4G的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。

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，一波波的通信人還在上下而求索。