天线科普-天线种类、原理、运用详解

今天给大家介绍?#27169;?#26159;天线。

天线,在我们生活中是一种很常见的通讯设备。但大部分人其实?#36816;?#24182;不了解,可能只是知道它可以收发信号而?#36873;?/span>

为此,本着科普精神,一个不能少的原则,跟大家好好聊聊这个有意思的东东。

天线2

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。

话不多说,直入正题!

话说,自从1894年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,天线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。

黑洞

那天线究竟是一根什么样的“线?#20445;?#20026;什么会如此彻底地改变我们的生活?

天线3

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”。?#35789;?#22312;真空中,它也能来去自如,而?#26131;?#30636;即至。

电磁波效果图

电磁波传播示意图

电磁波传播示意图

但要想充分利用这股“神秘力量?#20445;?#23601;需要使用到天线啦。

在无线电设备中,天线就是用来辐射和接收无线电波的装置。


天线的英文名:Antenna(也有触须、?#26412;?#20043;意)

天线的英文名:Antenna(也有触须、?#26412;?#20043;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。

转换器

天线的作用

天线的作用

什么叫导行波?

简单?#27492;擔?#23548;行波就是一种电线?#31995;?#30005;磁波。

天线是怎?#35789;?#29616;导行波和空间波之间转换的呢?

看下图:

交变电流时,就会形成电磁波辐射

中学物理我们学过,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?#21697;?#21521;相同)。

两根导线张开

而当导线的长度增大到波长的1/4时,就能形成较为可观的辐射效果!

长度波长的

有了电场和磁场,我们就有了电磁波。

而产生电磁场的这两根导线,就叫做振子。

通常两臂长度相同,所以叫对?#26222;?#23376;。

长度像下面这样?#27169;?#21483;做半波对?#26222;?#23376;。

半波对?#26222;?#23376;

半波对?#26222;?#23376;

把导线两头连起来,就变成了半波对?#26222;?#21512;振子。

半波对?#26222;?#21512;振子

半波对?#26222;?#21512;振子

有点像刷墙的油漆刷子。

对?#26222;?#23376;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?#27169;?#25105;们来结合一下实物。

真实世界中的振子,是个什么样?

就是这个样子——

就是这么个金属片,半波对?#26222;?#23376;(非折合

就是这么个金属片,半波对?#26222;?#23376;(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:

造型怪异的振子

造型怪异的振子

懵了吧?如果说振子就是天线,那这哪里是天线嘛?我们?#36136;?#29983;活中看到的天线也不是这个鸟样啊?

?#38750;欣此擔?#25391;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,实在是太多了,完全在挑战着人类的想象力:

总有一款你中意的吧?

虽然天线的形态千奇百怪,但是根据相似度,?#37096;?#20197;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

鞭状天线

抛物面天线

抛物面天线

八木天线

八木天线

PS:八木天线并不是八根?#23601;罰?#20043;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?#27169;?#21483;“八木宇田天线?#20445;?#31616;称“八木天线?#20445;?#21487;怜的宇田)。

我们通信汪最关心?#27169;?#24403;然是——通信基站天线!

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。

基站天馈系统

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。

全向吸顶天线和定向壁挂天线

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?#35789;?#26497;化?别急,我们待会再说。我们?#20154;?#35828;全向和定向。

其实顾名?#23478;澹?#20840;向天线就是向四周发射和接收信号?#27169;?#32780;定向天线,是向指定方向。

室外全向天线,是这样?#27169;?/span>

室外全向天线

就是一根棒子,有粗?#27169;?#20063;有细的。

它里面的振子,是这样?#27169;?/span>

振子

相比全向天线,?#36136;?#24037;作生活中,定向天线使用最为广泛。

它大部?#36136;?#20505;看上去就是一个板子,所以叫做板状天线。

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)

反射板

之前我们看到那些奇?#20013;?#29366;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?#35789;恰埃保?#35201;?#35789;恰啊痢薄?/span>

振子的角度

?#29275;?#36825;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?#27169;?#36825;种现象称为无线电波的极化。

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。

垂直极化波

不仅如此,电场的方向还可以是螺旋旋转?#27169;型?#22278;极化波。

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。

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,就是好处多多啦。

双极化天线

密集恐惧症患者请闭上眼睛


我们继续前面的全向和定向天线话题。


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:

天线方向图

这种图,叫做天线方向图。

因为空间是三维立体?#27169;?#25152;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?#23478;?#26159;一对半波对?#26222;?#23376;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!

振子越多,轮胎越扁

这下辐射距离不就远了嘛,我可真是太机智了。


但问题来了,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。

振子越多,轮胎越扁2

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?#27169;?#26159;个全向天线。这种天线,放在荒?#23478;?#22806;,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?#22909;?#38598;,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

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?#20445;?/span>

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”。

理论辐射图

最后,我们得到的辐射形状,就是这样?#27169;?/span>

辐射形状

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。

呃,这个造型,是不是有点像茄子?

对于这个“茄子?#20445;?#20320;可以再想一想,怎样才能最大化利用它进行信号覆盖呢?

抱着它站在马路上,肯定是不行?#27169;?#38556;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?#30475;?#26126;的你,一定想到了,天线本体往下倾?#26412;蚈K啦~

是?#27169;?#22312;安装时,直接倾斜天线,是一个办法,我们称之为“机械下倾”。

机械下倾

现在的天线,安装时都具备这个能力,一个机?#24403;郟?#25630;定。


但是,机械下倾存在着另一个问题——

采用机械下倾时,天线垂直分量和水平分量的幅值是不变?#27169;?#25152;以天线方向图?#29616;?#21464;形 。

机械下倾2

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?#39057;?#19979;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。

电下倾

来个动图,就看明白了:

电下倾动图

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。

电下倾3

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的。

下倾之后,就变成了这样——

辐射范围

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?#27169;?/span>

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?#29275;?#20063;就是说,信号会影响到别的小区。

电下倾4

所以,我们必须努力填补“下部零深”的空?#20445;怪啤?#19978;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?#34892;?#36259;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?#31995;?#30740;发、测试。

天线测试暗室

上图为天线测试暗室

一款优秀的天线,离不开良好的工艺,可靠的材料,还有不?#31995;?#27979;试。

好啦,文章到这里,终于就要结束啦!能看到这里?#27169;?#32477;对都是真爱粉~

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!

注:

本文“黑?#30784;?#29031;片来源于Event Horizon Telescope组织。


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