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揭開天線的麵紗

眾(zhong) 所周知，天線是基站和手機發射信號用的。

天線這個(ge) 詞的英文是Antenna，原意為(wei) 觸須的意思。觸須就是昆蟲頭頂上的兩(liang) 根長長的細絲(si) ，可別小瞧這樣不起眼的玩意兒(er) ，昆蟲正是由這些觸角發送的各種化學信號來傳(chuan) 遞各種社交信息的。

與(yu) 此類似，在人類世界裏，無線通信也是通過天線來傳(chuan) 遞信息的，隻不過傳(chuan) 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(ge) 示例。

那麽(me) 實際中的天線都長什麽(me) 樣呢？由於(yu) 用途的不同，天線的形態實在是太多了，大到接收電視信號的鍋（拋物麵天線），小到隱藏在手機中的天線，因功能不同而形態各異。

說到天線，大多數人最常看到的就是家裏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(men) 能享受到飛一樣的網速。

在很久以前，聽廣播是件很時髦的事情，收音機上麵都有一根能一節一節拉伸的長長的天線，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杆天線。

在史前時代，每個(ge) 城市的最高建築必然是電視塔，電視也都是通過天線來接收從(cong) 電視塔發來的信號的，其頂上的兩(liang) 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、按工作性質可分為(wei) 發射天線和接收天線。

2、按用途可分為(wei) 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(wei) 全向天線和定向天線等。

4、按工作波長可分為(wei) 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、按結構形式和工作原理可分為(wei) 線天線和麵天線等。

6、按維數來分可以分成兩(liang) 種類型：一維天線和二維天線。

7、天線根據使用場合的不同可以分為(wei) ：手持台天線、車載天線、基地天線三大類。

就像盲人摸象一樣，每種分類方式都隻能描述天線的一個(ge) 側(ce) 麵或者一類特征，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(wei) 了減少複雜度，我們(men) 就先以最直觀的分類方法為(wei) 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麽(me) 樣的。

下圖中的這種天線很多人應該見過，在以前主要架在屋頂上，用於(yu) 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。

不用數到底天線上是不是有8根杆了。之所以叫八木天線這個(ge) 名稱是因為(wei) 它的發明者是個(ge) 叫八木秀次的日本人。八木天線主要用於(yu) 電視信號的接收，用於(yu) 無線通信的場景不多。

下麵這張圖是用於(yu) 雷達的拋物麵天線，就像一個(ge) 個(ge) 巨大的鍋一樣，蔚為(wei) 壯觀。雷達在發射時須把能量集中輻射到需要照射的方向，這個(ge) 形狀是非常適合的。

下麵的這些“鍋”就要小一些了，這就是用於(yu) 收發微波信號來傳(chuan) 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(chuan) 播，收發天線要相互對準才能工作，在無線通信中主要用作傳(chuan) 輸。

如果你仔細看上麵這些圖，會(hui) 發現在鐵塔的最上端，有一些板狀的東(dong) 西，這就是本文的主角：通信天線（細分類型為(wei) 定向天線：信號的收發在一定的方向上），最經常和手機直接眉目傳(chuan) 情的就是這貨。

既然有定向天線，必然也會(hui) 存在全向天線。顧名思義(yi) ，全向天線可以360°無死角收發信號，室外全向天線，以及用於(yu) 室內(nei) 覆蓋的吸頂天線。

回到本文的主角：定向天線。要揭開這貨神秘的麵紗，就要拆開來看看內(nei) 部到底裝了些什麽(me) 東(dong) 西。

內(nei) 部空蕩蕩的，結構並不複雜嘛，就是由振子，反射板，饋電網絡和天線罩組成。這些內(nei) 部結構都是做什麽(me) 的，怎樣就實現了定向發射接收信號的功能呢？

這一切就要從(cong) 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(chuan) 遞信息，就是因為(wei) 它能把載有信息的電磁波發射到空氣中，以光速進行傳(chuan) 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，那麽(me) 運送乘客的工具：高速列車就是電磁波，而天線就相當於(yu) 車站，負責管理調度電磁波的發送。

那麽(me) ，什麽(me) 是電磁波呢？

科學家對電和磁這兩(liang) 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(chan) 生電場，變化的電場產(chan) 生磁場，變化的磁場又產(chan) 生電場。最終這個(ge) 理論被赫茲(zi) 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(chuan) 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(chuan) 播方向同時垂直於(yu) 電場和磁場的方向。

那麽(me) ，天線是怎樣把這些電磁波發送出去的呢？看完下圖就明白了。

 

上麵這種產(chan) 生電磁波的這兩(liang) 根導線就叫做“振子”。一般情況下，振子的大小在半個(ge) 波長的時候效果最好，所以也經常被稱作“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(chuan) 播，但信號強度在空間上的分布卻並不均勻，像是輪胎一樣的環形。

但實際上，我們(men) 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(ge) 話題，下次再講），因此，在電磁波能量的發射上，需要增強水平方向，削弱垂直方向。

根據能量守恒原理，能量既不會(hui) 增加也不會(hui) 減少，如果要提高水平方向的發射能量，就要削弱垂直方向的能量。因此就隻有把標準半波陣子的能量輻射方向圖拍扁了，如下圖所示。

那麽(me) 怎樣拍扁呢？答案就是增加半波振子的數量。多個(ge) 振子的發射在中心匯聚起來，邊緣的能量的到了削弱，就實現了拍扁輻射方向，集中水平方向能量的目的。

在一般的宏基站係統中，定向天線的使用最為(wei) 普遍。一般情況下，一個(ge) 基站被劃分為(wei) 3個(ge) 扇區，用3個(ge) 天線來覆蓋，每個(ge) 天線覆蓋120度的範圍。

上圖是一個(ge) 片區域的基站覆蓋規劃圖，我們(men) 可以清楚地看出，每個(ge) 基站都由三個(ge) 扇區組成，每個(ge) 扇區用不同的顏色表示，也就需要三副定向天線來實現。

那麽(me) ，天線是怎樣實現電磁波的定向發射呢？

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麽(me) ？

就這樣增加振子讓電磁波在水平方向傳(chuan) 得更遠，再增加反射板控製方向，經過這麽(me) 兩(liang) 下折騰，定向天線的雛形誕生，電磁波的發射方向變成了下圖這樣。

水平方的主瓣向發射地遠遠地，但垂直方向產(chan) 生了上旁瓣和下旁瓣，同時由於(yu) 反射不完全，後麵還有個(ge) 尾巴，稱為(wei) 後瓣。

到了這裏，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(yi) ，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，隻是把傳(chuan) 給它的電磁波發射出去，怎麽(me) 又會(hui) 有“增益呢”？

其實，有沒有“增益”，關(guan) 鍵看跟誰比，怎麽(me) 比。

如下圖所示，相對於(yu) 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，能把電磁波發送地更遠，相當於(yu) 在主瓣方向上增強了。也就是說，所謂增益是在某個(ge) 方向上相對於(yu) 點輻射源或者半波振子來說的。

那麽(me) ，到底怎麽(me) 衡量天線主波瓣的覆蓋範圍和增益呢？這就需要再引入一個(ge) “波束寬度”的概念。我們(men) 把主瓣上中心線兩(liang) 側(ce) 電磁波強度衰減到一半時的範圍稱為(wei) 波束寬度。

因為(wei) 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(chuan) 播地越遠，增益就越高。

下來我們(men) 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(ti) 圖輻射圖，看起來直觀多了。

顯然，後瓣的存在破壞了定向天線的方向性，是要極力縮小的。前後波瓣之間的能量比值叫做“前後比”，這個(ge) 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製到最小。

另外，主瓣和下旁瓣之間有一些空洞，也稱為(wei) 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”。

03

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與(yu) 天線坦誠相見

下麵再說天線的另一個(ge) 重要概念：極化。

前麵已經提到過，電磁波的傳(chuan) 播本質上是電磁場的傳(chuan) 播，而電場是有方向的。

如果電場方向垂直於(yu) 地麵，我們(men) 稱它為(wei) 垂直極化波。同理，平行於(yu) 地麵，就是水平極化波。

如果電場的方向和地麵成45°夾角，我們(men) 就其稱為(wei) ±45°極化。

由於(yu) 電磁波的特性，決(jue) 定了水平極化傳(chuan) 播的信號在貼近地麵時會(hui) 在大地表麵產(chan) 生極化電流，從(cong) 而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chan) 生極化電流，從(cong) 而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳(chuan) 播。

作為(wei) 折中優(you) 化方案，現在主流的天線都是采用的±45°兩(liang) 種極化方式疊加起來，由兩(liang) 個(ge) 振子在一個(ge) 單元內(nei) 形成兩(liang) 個(ge) 正交的極化波，被稱為(wei) 雙極化。這種實現方式在保證性能的同時，也使得天線的集成度大大提高。

這就是天線示意圖裏麵喜歡畫上若幹個(ge) 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，掛地低了建築物遮擋太多，不行；掛高了，空中又沒人，白白浪費信號，而且讓信號傳(chuan) 得太遠的話，基站還可以勉強接受，但手機的發射功率太小，發了基站也收不到。

因此，這天線得對著有人的地麵上發射信號，覆蓋的範圍還得控製住。這就需要把天線下傾(qing) 一個(ge) 角度，像路燈一樣，每根天線各自負責各自區域的覆蓋。

這就引入了天線下傾(qing) 角的概念。

所有天線都在其安裝支架上設有帶角度刻度的旋鈕，通過扭動旋鈕來控製支架的機械運動，就可以調節下傾(qing) 角了。所以，通過這種方式調整下傾(qing) 角又叫機械下傾(qing) 。

但這種方式有兩(liang) 個(ge) 明顯的弊端。

第一就是麻煩。為(wei) 了做網絡優(you) 化調整個(ge) 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(qing) 這種調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(hui) 導致覆蓋方向圖產(chan) 生畸變。

費了這麽(me) 大勁，調整前後的覆蓋完全變了，很難達到預期的效果，而且還由於(yu) 後瓣的上翹導致對其他基站的幹擾也增加了，因此機械下傾(qing) 角隻能小幅調整。

那麽(me) ，有沒有更好的辦法呢？

辦法還真有，就是使用電子下傾(qing) 。電子下傾(qing) 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(cong) 而使天線的垂直方向圖下傾(qing) 。

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

電子下傾(qing) 的簡單，方便也不是憑空而來，而是經過了業(ye) 界的共同努力才實現的。

2001年，幾個(ge) 天線廠家湊在一起，成立了一個(ge) 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，已經有了兩(liang) 個(ge) 版本的協議：AISG 1.0和AISG 2.0。

有了這兩(liang) 個(ge) 協議，即使天線和基站是由不同廠家的生產(chan) 的，隻要它們(men) 都遵從(cong) 相同的AISG協議，它們(men) 之間就能互相傳(chuan) 遞天線下傾(qing) 角的控製信息，實現下傾(qing) 角的遠程調整。

隨著AISG協議的向後演進，不但垂直方向的下傾(qing) 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。

並且，由於(yu) 各運營商的無線頻段越來越多，加之4G的MIMO等技術對天線端口數量的要求劇增，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，也隻是定性地描述了基站的基本知識，至於(yu) 裏麵更深的奧妙，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。