到底什么是天線？天線是怎樣發(fā)射信號(hào)的？

基站的天線，比基站本身更為醒目?！疤炀€”這兩個(gè)字，也不像它們看上去那樣簡(jiǎn)單。但是努力把它說得簡(jiǎn)單有趣。

看完本篇關(guān)于天線的介紹，你將會(huì)了解：

①到底什么是天線？ ②天線是怎樣發(fā)射信號(hào)的？ ③天線有哪些關(guān)鍵指標(biāo)？

揭開天線的面紗

眾所周知，天線是基站和手機(jī)發(fā)射信號(hào)用的。 天線這個(gè)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(zhǎng)長(zhǎng)的細(xì)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(xué)信號(hào)來傳遞各種社交信息的。

與此類似，在人類世界里，無(wú)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(jī)和基站之間相互通信的一個(gè)示例。




如果你抬起頭仔細(xì)端詳基站的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)在鐵塔的最上端，有一些板狀的東西，這就是本文的主角：通信天線，最經(jīng)常和手機(jī)直接眉目傳情的就是這貨。

這種天線叫做定向天線，顧名思義，就是信號(hào)發(fā)射是有方向的。如果它正面對(duì)著你，那信號(hào)剛剛的；如果站在了它的背后，那對(duì)不起，不在服務(wù)區(qū)！

目前，絕大部分的基站上都用的是定向天線，一般需要三幅天線來完成360度覆蓋。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。

內(nèi)部空蕩蕩的，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜嘛，就是由振子，反射板，饋電網(wǎng)絡(luò)和天線罩組成。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是做什么的，怎樣就實(shí)現(xiàn)了定向發(fā)射接收信號(hào)的功能呢？ 這一切就要從電磁波來說起了。

剝開天線的外衣

天線之所以能高速地傳遞信息，就是因?yàn)樗馨演d有信息的電磁波發(fā)射到空氣中，以光速進(jìn)行傳播，最終抵達(dá)接收天線。 這就好像用高速列車運(yùn)送乘客一樣，如果把信息比作乘客，那么運(yùn)送乘客的工具：高速列車就是電磁波，而天線就相當(dāng)于車站，負(fù)責(zé)管理調(diào)度電磁波的發(fā)送。 那么，什么是電磁波呢？ 科學(xué)家對(duì)電和磁這兩種神秘力量研究了上百年，最終英國(guó)的麥克斯韋提出：電流能在其周邊產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)。最終這個(gè)理論被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 電磁場(chǎng)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(gè)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(chǎng)，藍(lán)色的線表示磁場(chǎng)，電磁波的傳播方向同時(shí)垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向。

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(dǎo)線就叫做“振子”。一般情況下，振子的大小在半個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)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。



真實(shí)的振子長(zhǎng)下圖這樣。



半波振子把電磁波源源不斷地向空間傳播，但信號(hào)強(qiáng)度在空間上的分布卻并不均勻，像是輪胎一樣的環(huán)形。水平方向信號(hào)強(qiáng)，但垂直方向很弱。



實(shí)際上，我們基站的覆蓋需要在水平方向上更遠(yuǎn)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(gè)話題，后續(xù)再講）。 因此，在電磁波能量的發(fā)射上，盡管半波振子的垂直方向的能量已經(jīng)比較弱了，但還需要進(jìn)一步地增強(qiáng)水平方向，把垂直方向再削弱一些。




根據(jù)能量守恒原理，能量既不會(huì)增加也不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)半波陣子的能量輻射方向圖拍扁了，如下圖所示。



那么怎樣拍扁呢？答案就是增加半波振子的數(shù)量。多個(gè)振子的發(fā)射在中心匯聚起來，邊緣的能量得到了削弱，就實(shí)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(gè)基站被劃分為3個(gè)扇區(qū)，用3個(gè)天線來覆蓋，每個(gè)天線覆蓋120度的范圍。



從上圖我們可以清楚地看出，這個(gè)基站由三個(gè)扇區(qū)組成，用了3個(gè)射頻單元，也就需要三副定向天線來實(shí)現(xiàn)。

上面這個(gè)示意圖更為直觀一些。基站位于圓心，把一個(gè)大餅分為3份，每份都是一個(gè)120度的扇形區(qū)域，因此叫做三扇區(qū)。 那么，天線是怎樣實(shí)現(xiàn)電磁波的定向發(fā)射呢？ 這當(dāng)然難不倒聰明的設(shè)計(jì)師。給振子增加反射板，把本該向另外一邊的輻射的信號(hào)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(yuǎn)，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。



水平方的主瓣向發(fā)射地遠(yuǎn)遠(yuǎn)地，但垂直方向產(chǎn)生了上旁瓣和下旁瓣，同時(shí)由于反射不完全，后面還有個(gè)尾巴，稱為后瓣。 到了這里，對(duì)天線的最重要的指標(biāo)：“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(hào)增強(qiáng)。按理說天線是不需要電源的，只是把傳給它的電磁波發(fā)射出去，怎么又會(huì)有“增益呢”？ 其實(shí)，有沒有“增益”，關(guān)鍵看跟誰(shuí)比，怎么比。 如下圖所示，相對(duì)于理想的點(diǎn)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(yuǎn)，相當(dāng)于在主瓣方向上增強(qiáng)了。也就是說，所謂增益是在某個(gè)方向上相對(duì)于點(diǎn)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(gè)“波束寬度”的概念。我們把主瓣上中心線兩側(cè)電磁波強(qiáng)度衰減到一半時(shí)的范圍稱為波束寬度。 因?yàn)閺?qiáng)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(hào)傳播地越遠(yuǎn)，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(jié)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(gè)值越大越好，是天線的重要指標(biāo)。 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(fèi)，所以在設(shè)計(jì)定向天線時(shí)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(dǎo)致離天線較近的地方信號(hào)不好，在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候要盡量減少這些空洞，稱作“零點(diǎn)填充”。

與天線坦誠(chéng)相見

下面再說天線的另一個(gè)重要概念：極化。

前面已經(jīng)提到過，電磁波的傳播本質(zhì)上是電磁場(chǎng)的傳播，而電場(chǎng)是有方向的。 如果電場(chǎng)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(chǎng)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(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，從而使電場(chǎng)信號(hào)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(hào)的有效傳播。

作為優(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(gè)振子在一個(gè)單元內(nèi)形成兩個(gè)正交的極化波，被稱為雙極化。這種實(shí)現(xiàn)方式在保證性能的同時(shí)，也使得天線的集成度大大提高。

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這就是天線示意圖里面喜歡畫上若干個(gè)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(fèi)信號(hào)，而且讓信號(hào)傳得太遠(yuǎn)的話，基站還可以勉強(qiáng)接受，但手機(jī)的發(fā)射功率太小，發(fā)了基站也收不到。 因此，這天線得對(duì)著有人的地面上發(fā)射信號(hào)，覆蓋的范圍還得控制住。這就需要把天線下傾一個(gè)角度，像路燈一樣，每根天線各自負(fù)責(zé)各自區(qū)域的覆蓋。



這就引入了天線下傾角的概念。

所有天線都在其安裝支架上設(shè)有帶角度刻度的旋鈕，通過扭動(dòng)旋鈕來控制支架的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，就可以調(diào)節(jié)下傾角了。所以，通過這種方式調(diào)整下傾角又叫機(jī)械下傾。



但這種方式有兩個(gè)明顯的弊端。 第一就是麻煩。為了做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整個(gè)角度，就需要工程師上站爬塔，實(shí)際效果咋樣還不好說，實(shí)在是不方便，成本高。 第二就是機(jī)械下傾這種調(diào)整方式太過簡(jiǎn)單粗暴，而天線垂直分量和水平分量的幅值是不變的，因此會(huì)導(dǎo)致覆蓋方向圖被強(qiáng)行壓扁，產(chǎn)生畸變。




費(fèi)了這么大勁，調(diào)整前后的覆蓋完全變了，很難達(dá)到預(yù)期的效果，而且還由于后瓣的上翹導(dǎo)致對(duì)其他基站的干擾也增加了，因此機(jī)械下傾角只能小幅調(diào)整。 那么，有沒有更好的辦法呢？ 辦法還真有，就是使用電子下傾。電子下傾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(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，從而使天線的垂直方向圖下傾。



也就是說，電子下傾無(wú)需真地讓天線傾斜，只需要工程師在電腦前，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)，用軟件調(diào)整就可以了。而且，電子下傾也不會(huì)引起輻射方向圖的畸變。



電子下傾的簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的。 2001年，幾個(gè)天線廠家湊在一起，成立了一個(gè)叫做AISG (天線接口標(biāo)準(zhǔn)組Antenna Interface Standards Group )的組織，想要把電調(diào)天線的接口標(biāo)準(zhǔn)化。

截止目前，已經(jīng)有了兩個(gè)版本的協(xié)議：AISG 1.0和AISG 2.0。

有了這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)下傾角的遠(yuǎn)程調(diào)整。



隨著AISG協(xié)議的向后演進(jìn)，不但垂直方向的下傾角可以遠(yuǎn)程調(diào)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(yuǎn)程調(diào)整了。

并且，由于各運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線頻段越來越多，加之4G的MIMO等技術(shù)對(duì)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(jìn)。

天線的原理看似簡(jiǎn)單，但對(duì)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(shí)，至于里面更深的奧妙，如何更好地支持向5G的演進(jìn)，一波波的通信人還在上下而求索。


審核編輯：劉清