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通訊|天線原理通俗版(動圖演示)

01、揭開天線的面紗

眾所周知,天線是基站和手機發射訊號用的。

天線這個詞的英文是Antenna,原意為觸鬚的意思。觸鬚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傳送的各種化學訊號來傳遞各種社交資訊的。

與此類似,在人類世界裡,無線通訊也是通過天線來傳遞資訊的,只不過傳遞的是承載著有用資訊的電磁波。下圖就是手機和基站之間相互通訊的一個示例。

那麼實際中的天線都長什麼樣呢?由於用途的不同,天線的形態實在是太多了,大到接收電視訊號的鍋(拋物面天線),小到隱藏在手機中的天線,因功能不同而形態各異。

說到天線,大多數人最常看到的就是家裡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速。

在很久以前,聽廣播是件很時髦的事情,收音機上面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桿天線。

在史前時代,每個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電視塔發來的訊號的,其頂上的兩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鬚完全類似。

除此之外,還有各種各樣,形形色色的不同型別的天線,按照不同的分類方法都可以給出不同的型別。

1、按工作性質可分為發射天線和接收天線。

2、按用途可分為通訊天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。

3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。

4、按工作波長可分為超長波天線、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線天線和麵天線等。

6、按維數來分可以分成兩種型別: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:手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。

就像盲人摸象一樣,每種分類方式都只能描述天線的一個側面或者一類特徵,把這些分類法所針對的特徵全部糅合起來才能看清天線的全貌。

為了減少複雜度,蜉蝣君就先以最直觀的分類方法為切入點,百聞不如一見,讓大家看看不同用途的真實天線是什麼樣的。

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,用於電視訊號的接收(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名稱是因為它的發明者是個叫八木秀次的日本人。八木天線主要用於電視訊號的接收,用於無線通訊的場景不多。

下面這張圖是用於雷達的拋物面天線,就像一個個巨大的鍋一樣,蔚為壯觀。雷達在發射時須把能量集中輻射到需要照射的方向,這個形狀是非常適合的。

下面的這些“鍋”就要小一些了,這就是用於收發微波訊號來傳遞資訊的微波天線。微波這類電磁波的波長很短,主要以直線傳播,收發天線要相互對準才能工作,在無線通訊中主要用作傳輸。

如果你仔細看上面這些圖,會發現在鐵塔的最上端,有一些板狀的東西,這就是本文的主角:通訊天線(細分型別為定向天線:訊號的收發在一定的方向上),最經常和手機直接眉目傳情的就是這貨。

既然有定向天線,必然也會存在全向天線。顧名思義,全向天線可以360°無死角收發訊號,室外全向天線,以及用於室內覆蓋的吸頂天線。

回到本文的主角:定向天線。要揭開這貨神祕的面紗,就要拆開來看看內部到底裝了些什麼東西。

內部空蕩蕩的,結構並不複雜嘛,就是由振子,反射板,饋電網路和天線罩組成。這些內部結構都是做什麼的,怎樣就實現了定向發射接收訊號的功能呢?

這一切就要從電磁波來說起了。

02、—剝開天線的外衣

天線之所以能高速地傳遞資訊,就是因為它能把載有資訊的電磁波發射到空氣中,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,如果把資訊比作乘客,那麼運送乘客的工具:高速列車就是電磁波,而天線就相當於車站,負責管理排程電磁波的傳送。

那麼,什麼是電磁波呢?

科學家對電和磁這兩種神祕力量研究了上百年,最終英國的麥克斯韋提出:電流能在其周邊產生電場,變化的電場產生磁場,變化的磁場又產生電場。最終這個理論被赫茲的實驗所證實。

電磁場在這樣的週期性變換中,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於電場和磁場的方向。

那麼,天線是怎樣把這些電磁波傳送出去的呢?看完下圖就明白了。

上面這種產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播,但訊號強度在空間上的分佈卻並不均勻,像是輪胎一樣的環形。

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,在電磁波能量的發射上,需要增強水平方向,削弱垂直方向。

根據能量守恆原理,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,如下圖所示。

那麼怎樣拍扁呢?答案就是增加半波振子的數量。多個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。

在一般的巨集基站系統中,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,用3個天線來覆蓋,每個天線覆蓋120度的範圍。

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

那麼,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訊號反射回來不就行了麼?

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,經過這麼兩下折騰,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,但垂直方向產生了上旁瓣和下旁瓣,同時由於反射不完全,後面還有個尾巴,稱為後瓣。

到了這裡,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訊號增強。按理說天線時不需要電源的,只是把傳給它的電磁波發射出去,怎麼又會有“增益呢”?

其實,有沒有“增益”,關鍵看跟誰比,怎麼比。

如下圖所示,相對於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,能把電磁波傳送地更遠,相當於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於點輻射源或者半波振子來說的。

那麼,到底怎麼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“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範圍稱為波束寬度。

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,主瓣方向訊號傳播地越遠,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,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儘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訊號不好,在設計天線的時候要儘量減少這些空洞,稱作“零點填充”。

03—與天線坦誠相見

下面再說天線的另一個重要概念:極化。

前面已經提到過,電磁波的傳播本質上是電磁場的傳播,而電場是有方向的。

如果電場方向垂直於地面,我們稱它為垂直極化波。同理,平行於地面,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。

由於電磁波的特性,決定了水平極化傳播的訊號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流,從而使電場訊號迅速衰減,而垂直極化方式則不易產生極化電流,從而避免了能量的大幅衰減,保證了訊號的有效傳播。

作為折中優化方案,現在主流的天線都是採用的±45°兩種極化方式疊加起來,由兩個振子在一個單元內形成兩個正交的極化波,被稱為雙極化。這種實現方式在保證效能的同時,也使得天線的整合度大大提高。

這就是天線示意圖裡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,白白浪費訊號,而且讓訊號傳得太遠的話,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面上發射訊號,覆蓋的範圍還得控制住。這就需要把天線下傾一個角度,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,通過扭動旋鈕來控制支架的機械運動,就可以調節下傾角了。所以,通過這種方式調整下傾角又叫機械下傾。

但這種方式有兩個明顯的弊端。

第一就是麻煩。為了做網路優化調整個角度,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,因此會導致覆蓋方向圖產生畸變。

費了這麼大勁,調整前後的覆蓋完全變了,很難達到預期的效果,而且還由於後瓣的上翹導致對其他基站的干擾也增加了,因此機械下傾角只能小幅調整。

那麼,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,改變合成分量場強強度,從而使天線的垂直方向圖下傾。

也就是說,電子下傾無需真地讓天線傾斜,只需要工程師在電腦前,點點滑鼠,用軟體調整就可以了。而且,電子下傾也不會引起輻射方向圖的畸變。

電子下傾的簡單,方便也不是憑空而來,而是經過了業界的共同努力才實現的。

2001年,幾個天線廠家湊在一起,成立了一個叫做AISG ( 天線介面標準組Antenna Interface Standards Group )的組織,想要把電調天線的介面標準化。

截止目前,已經有了兩個版本的協議:AISG 1.0和AISG 2.0。

有了這兩個協議,即使天線和基站是由不同廠家的生產的,只要它們都遵從相同的AISG協議,它們之間就能互相傳遞天線下傾角的控制資訊,實現下傾角的遠端調整。

隨著AISG協議的向後演進,不但垂直方向的下傾角可以遠端調整,連水平方向的方位角,還有主波瓣的寬度和增益都可以遠端調整了。

並且,由於各運營商的無線頻段越來越多,加之4G的MIMO等技術對天線埠數量的要求劇增,天線也逐漸由單頻雙埠向多頻多埠演進。

天線的原理看似簡單,但對效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,至於裡面更深的奧妙,如何更好地支援向5G的演進,一波波的通訊人還在上下而求索。

能看到這裡的,都是真愛。謝謝大家。

來源:無線深海

Reference:科技日報

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