关于天线 有史以来最强的科普文

大家好，我是小枣君。

今天我要给大家介绍的，是天线。

嗯，就是这个东东：

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。

所以，小枣君用一个礼拜的时间，憋了一个大招，码出了这篇文章——

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（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。

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、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。

当导线的长度增大到波长的1/4时，就能形成较为显著的辐射效果（导线电流方向相同，产生的感应电动势方向相同）！

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？

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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。

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。

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。

大家感兴趣的话，可以自行搜索相关资料。

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，还有不断的测试。

好啦，文章写到这里，就该结束啦！能看到这里的，绝对都是真爱啊！

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），后面小枣君将会专门撰文介绍哦！

谢谢大家的阅读！