以下文章來源于公眾號5G通信射頻有源無源濾波器天線 ，作者哥5G

基站的天線，比基站本身更為醒目?！疤炀€”這兩個字，也不像它們看上去那樣簡單。但是，我們會盡力把它說得簡單有趣。

看完本篇關于天線的介紹，你將會了解：

① 到底什么是天線？

② 天線是怎樣發(fā)射信號的？

③ 天線有哪些關鍵指標？

一、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。

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。

對稱振子是迄今最為經(jīng)典，使用最為廣泛的天線。

理論還是有點枯燥啊，趕緊的，我們來結合一下實物。

真實世界中的振子，是個什么樣？

Duang！就是這樣——

就是這么個金屬片。。。半波對稱振子（非折合）

好吧，其實上面這個只是振子的一個傳統(tǒng)形態(tài)，它還有N種變（身）態(tài)：

造型怪異的振子

懵逼了吧？如果說振子就是天線，那這哪里是天線嘛？我們現(xiàn)實生活中看到的天線不是這個鳥樣??？

確切地說，振子不是一個完整的天線。振子是天線的核心部件，形態(tài)會隨天線的形態(tài)變化而變化。

而天線的形態(tài)，實在是太TM多了。。。多了。。。了。。。

總而言之，成百上千。。。

雖然天線的形態(tài)千奇百怪，但是根據(jù)相似度，也可以進行大致歸類。

如果按照外型來分，常見的幾種，如下圖：

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。

PS：八木天線并不是八根木頭，雖然我數(shù)學不好，但是八我還是數(shù)得來的。之所以叫八木，是因為它是二十世紀20年代日本人八木秀次和宇田太郞發(fā)明的，叫“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”（可憐的宇田）

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。

我們通信汪最關心的，當然是——通信基站天線！

基站天線，是基站天饋系統(tǒng)的組成部分，也是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分。

基站天線一般分為室內(nèi)天線和室外天線。

室內(nèi)天線通常包括全向吸頂天線和定向壁掛天線等。

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。

就是一根棒子，有粗的，也有細的。

它里面的振子，是這樣的：

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。

相比全向天線，現(xiàn)實工作生活中，定向天線使用最為廣泛。

它大部分時候看上去就是一個板子，所以叫板狀天線。

板狀天線，主要由以下部分組成：

• 輻射單元（振子）

• 反射板（底板）

• 功率分配網(wǎng)絡（饋電網(wǎng)絡）

• 封裝防護（天線罩）

內(nèi)部空蕩蕩的，結構并不復雜嘛，就是由振子，反射板，饋電網(wǎng)絡和天線罩組成。這些內(nèi)部結構都是做什么的，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。

二、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。詳情見文章：“電磁波看不見摸不著，這個年輕人的奇思妙想改變了世界”。

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。

天線就是一個“轉換器”——把傳輸線上傳播的導行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。

天線的作用

什么叫導行波？

簡單來說，導行波就是一種電線上的電磁波。

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。

有了電場，就有了磁場，有了磁場，就有了電場，如此循環(huán)，就有了電磁場和電磁波。。。

電生磁，磁生電

再來個動圖，大家感受一下這個優(yōu)美的過程：

導線電流方向的變化，產(chǎn)生了變化的電場

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。

怎樣才能讓這個天線的輻射距離更遠呢？

答案就是——

拍它。。。

啪嘰！

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。

圖中，輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣，屁股上還會有一點尾巴，叫后瓣。

呃，這個造型，有點像。。。茄子？

對于這個“茄子”，你可以想一想，怎樣才能最大化利用它進行信號覆蓋呢？

抱著它站在馬路上，肯定是不行的，障礙物太多。

站得高，看得遠，我們肯定要往高處走啊。

到了高處，怎么才能往下照呢？聰明如我的你，一定想到了，很簡單啊，天線本體往下傾斜不就OK啦？

是的，在安裝時，直接傾斜天線，是一個辦法，我們稱之為“機械下傾”。

現(xiàn)在的天線，安裝時都具備這個能力，一個機械臂，搞定。

但是，機械下傾也存在一個問題——

采用機械下傾時，天線垂直分量和水平分量的幅值是不變的，所以天線方向圖嚴重變形 。

這肯定不行啊，影響了信號覆蓋。于是，我們采用了另外一種辦法，就是電調下傾，簡稱電下傾。

簡而言之，電下傾就是保持天線本體的物理角度不變，通過調整天線的振子相位，改變場強強度。

來個動圖，就看明白了：

相比于機械下傾，電下傾的天線方向圖變化不大，下傾度數(shù)更大，而且，前瓣和后瓣都朝下。

當然啦，在實際使用中，經(jīng)常會機械下傾和電調下傾配合使用。

下傾之后，就變成了這樣——

在這種情況下，天線的主要輻射范圍，得到了較充分的利用。

但是，還是有問題存在的：

1 主瓣和下旁瓣之間，有一個下部零深，會造成這個位置的信號盲區(qū)。通常，我們稱之為“燈下黑”。

2 上旁瓣的角度較高，影響距離較遠，很容易造成越區(qū)干擾，也就是說，信號會影響到別的小區(qū)。

所以，我們必須努力填補“下部零深”的空缺，壓制“上旁瓣”的強度。

具體的辦法，就是調節(jié)旁瓣的電平，采用波束賦形等手段，里面的技術細節(jié)就有點復雜了。

這里面的學問，真的很深，所以，無數(shù)的天線專家都在鉆研這方面的課題，不斷地研發(fā)、測試。

大家感興趣的話，可以自行搜索相關資料。

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，在設計天線的時候要盡量減少這些空洞，稱作“零點填充”。

三、與天線坦誠相見

大家注意到?jīng)]，這些振子的角度，有一定的規(guī)律：要么是“＋”，要么是“×”。

嗯，這就是前面我們提到的“極化”。

前面已經(jīng)提到過，電磁波的傳播本質上是電磁場的傳播，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。

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整了。

并且，由于各運營商的無線頻段越來越多，加之MIMO等技術對天線端口數(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。

天線測試暗室

一款優(yōu)秀的天線，離不開良好的工藝，可靠的材料，還有不斷的測試。

好啦，文章寫到這里，就該結束啦！

能看到這里的，絕對都是真愛??！

實際上，天線的知識還有很多，遠不止本文所述。

總之，天線確實是一門精深的學問，遠比大家想象得復雜。而且，目前也處于高速發(fā)展的階段，還有很大的潛力可以挖掘。

尤其是即將到來的5G，天線技術革新是其中的重中之重，各大設備廠家一定會在5G天線上全力以赴，做足文章。

到時候會有什么樣的天線黑科技出現(xiàn)？讓我們拭目以待吧！