零基础学天线!看完你就是半个天线专家了!

来源:半岛平台官方网站入口/WiFi天线    发布时间:2024-01-17 21:02:00
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  本身更为醒目。“天线”这两个字,也不像它们看上去那样简单。但是,我们会尽力把它说

  天线这个词的英文是Antenna,原意为触须的意思。触须就是昆虫头顶上的两根长长的细丝,可别小瞧这样不起眼的玩意儿,昆虫正是由这些触角发送的各种化学信号来传递各种社交信息的。

  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,只不过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相互通信的一个示例。

  那么实际中的天线都长什么样呢?由于用途的不同,天线的形态实在是太多了,大到接收电视信号的锅(抛物面天线),小到隐藏在手机中的天线,因功能不同而形态各异。

  就像盲人摸象一样,每种分类方式都只能描述天线的一个侧面或者一类特征,把这些分类法所针对的特征全部糅合起来才能看清天线的全貌。

  懵逼了吧?如果说振子就是天线,那这哪里是天线嘛?我们真实的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。

  抛物面天线,就像一个个巨大的锅一样,蔚为壮观。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向,这个形状是很适合的。

  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)

  下面的这些“锅”就要小一些了,这就是用于收发微波信号来传递信息的微波天线。微波这类电磁波的波长很短,主要以直线传播,收发天线要相互对准才能工作,在无线通信中主要用作传输。

  顾名思义,全向天线°无死角收发信号,室外全向天线,以及用于室内覆盖的吸顶天线。

  回到本文的主角:定向天线。要揭开这货神秘的面纱,就要拆开来看看内部到底装了些什么东西。

  内部空荡荡的,结构并不复杂嘛,就是由振子,反射板,馈电网络和天线罩组成。这些内部结构都是做什么的,怎样就实现了定向发射接收信号的功能呢?

  天线之所以能高速地传递信息,主要是因为它能把载有信息的电磁波发射到空气中,以光速进行传播,最终抵达接收天线。

  这就好像用高速列车运送乘客一样,如果把信息比作乘客,那么运送乘客的工具:高速列车就是电磁波,而天线就等于车站,负责管理调度电磁波的发送。

  科学家对电和磁这两种神秘力量研究了上百年,最终英国的麦克斯韦提出:电流能在其周边产生电场,变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场。最终这个理论被赫兹的实验所证实。

  电磁场在这样的周期性变换中,电磁波就辐射出来,向空间传播。详情见文章:“电磁波看不见摸不着,这个年轻人的奇思妙想改变了世界”。

  如上图所示,红色的线表示电场,蓝色的线表示磁场,电磁波的传播方向同时垂直于电场和磁场的方向。

  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,或进行相反的变换。

  上面这种产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。正常的情况下,振子的大小在半个波长的时候效果最好,所以也经常被称作“半波振子”。

  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。。。

  半波振子把电磁波源源不断地向空间传播,但信号强度在空间上的分布却并不均匀,像是轮胎一样的环形。

  但实际上,我们基站的覆盖需要在水平方向上更远一些,毕竟需要打电话的人都在地上;垂直方向就到高空了,高空中也没啥需要边飞边刷抖音的人(航线覆盖是另外一个话题,下次再讲),因此,在电磁波能量的发射上,需要增强水平方向,削弱垂直方向。

  根据能量守恒原理,能量既不会增加也不会减少,如果要提高水平方向的发射能量,就要削弱垂直方向的能量。因此就只有把标准半波阵子的能量辐射方向图拍扁了。

  那么怎样拍扁呢?答案就是增加半波振子的数量。多个振子的发射在中心汇聚起来,边缘的能量的到了削弱,就实现了拍扁辐射方向,集中水平方向能量的目的。

  在一般的宏基站系统中,定向天线的使用最为普遍。正常的情况下,一个基站被划分为3个扇区,用3个天线度的范围。

  上图是一个片区域的基站覆盖规划图,我们大家可以清楚地看出,每个基站都由三个扇区组成,每个扇区用不同的颜色表示,也就需要三副定向天线来实现。

  这当然难不倒聪明的设计师。给振子增加反射板,把本该向另外一边的辐射的信号反射回来不就行了么?

  就这样增加振子让电磁波在水平方向传得更远,再增加反射板控制方向,经过这么两下折腾,定向天线的雏形诞生,电磁波的发射方向变成了下图这样。

  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,上还会有一点尾巴,叫后瓣。

  到了高处,怎么样才可以往下照呢?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?

  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。

  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。

  1 主瓣和下旁瓣之间,有一个下部零深,会造成这一个位置的信号盲区。通常,我们叫做“灯下黑”。

  2 上旁瓣的角度较高,影响距离较远,非常容易导致越区干扰,也就是说,信号会影响到别的小区。

  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。

  顾名思义,增益就是指天线能把信号增强。按理说天线时不需要电源的,只是把传给它的电磁波发射出去,怎么又会有“增益呢”?

  如下图所示,相对于理想的点辐射源和半波振子,天线在可以把能量聚集在主瓣方向,能把电磁波发送地更远,相当于在主瓣方向上增强了。也就是说,所谓增益是在某个方向上相对于点辐射源或者半波振子来说的。

  那么,到底怎么衡量天线主波瓣的覆盖范围和增益呢?这就需要再引入一个“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围称为波束宽度。

  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”。

  下来我们把天线的水平方向图和垂直方向图结合起来,就得到了立体图辐射图,看起来直观多了。

  显然,后瓣的存在破坏了定向天线的方向性,是要极力缩小的。前后波瓣之间的能量比值叫做“前后比”,这个值越大越好,是天线的重要指标。

  上旁瓣的宝贵的功率白白地发射向了天空,也是不小的浪费,所以在设计定向天线时要尽量把上旁瓣抑制到最小。

  另外,主瓣和下旁瓣之间有一些空洞,也称为下部零陷,导致离天线较近的地方信号不好,在设计天线的时候要最好能够降低这些空洞,称作“零点填充”。

  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“×”。

  如果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。

  由于电磁波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,从而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。

  作为折中优化方案,现在主流的天线°两种极化方式叠加起来,由两个振子在一个单元内形成两个正交的极化波,被称为双极化。这种实现方式在保证性能的同时,也使得天线的集成度大大提高。

  这就是天线示意图里面喜欢画上若干个叉叉的原因,这些叉叉既形象地表示了极化方向,也表示了振子的数量。

  显然,挂地低了建筑物遮挡太多,不行;挂高了,空中又没人,白白浪费信号,而且让信号传得太远的话,基站还可以勉强接受,但手机的发射功率太小,发了基站也收不到。

  有了这两个协议,即使天线和基站是由不同厂家的生产的,只要它们都遵从相同的AISG协议,它们之间就能互相传递天线下倾角的控制信息,实现下倾角的远程调整。

  随着AISG协议的向后演进,不但垂直方向的下倾角可以远程调整,连水平方向的方位角,还有主波瓣的宽度和增益都可以远程调整了。

  并且,由于各运营商的无线频段慢慢的变多,加之MIMO等技术对天线端口数量的要求剧增,天线也逐渐由单频双端口向多频多端口演进。

  天线的原理看似简单,但对性能精益求精的追求却没有止境。本文到此,也只是定性地描述了基站的基本知识,至于里面更深的奥妙,如何更好地支持向5G的演进,一波波的通信人还在上下而求索。

  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,目前也处于快速地发展的阶段,还有很大的潜力可以挖掘。

  尤其是马上就要来临的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。

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