關(guān)于天線，有史最強(qiáng)的科普文章
2018-02-02 21:42:20 鮮棗課堂EETOP公眾號發(fā)布 本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自：鮮棗課堂公眾號 作者：小棗君
大家好，我是小棗君。
今天我要給大家介紹的，是天線。
嗯，就是這個東東：
天線，是我們生活中很常見的一種通訊設(shè)備。但是，大部分人其實對它并不了解，可能只知道它是收發(fā)信號的。
所以，小棗君用一個禮拜的時間，憋了一個大招，碼出了這篇文章——
本文面向零基礎(chǔ)讀者，專業(yè)或非專業(yè)人士，皆可閱讀，絕對通俗易懂，干貨滿滿。
廢話不多說，直入正題！
話說，自從1894年老毛子科學(xué)家波波夫成功發(fā)明了天線之后，這玩意迄今已有124年的歷史（數(shù)了3遍，應(yīng)該沒錯
）。
波波夫和他的發(fā)明
在這漫長的歷史長河之中，它對人類社會發(fā)展和進(jìn)步做出了卓絕的貢獻(xiàn)。
二戰(zhàn)中屢立奇功的英國雷達(dá)天線
如今，不管是老百姓日常工作生活，還是科學(xué)家進(jìn)行科研探索，都離不開天線君的默默奉獻(xiàn)。
天線究竟是一根什么樣的“線”，為什么會如此徹底地改變我們的生活？
其實，天線之所以牛逼，就是因為電磁波牛逼。
電磁波之所以牛逼，一個主要原因就是，它是唯一能夠不依賴任何介質(zhì)進(jìn)行傳播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能來去自如，而且轉(zhuǎn)瞬即至。
電磁波效果圖
電磁波傳播示意圖
想要充分利用這股“神秘力量”，你就需要天線。
在無線電設(shè)備中，天線就是用來輻射和接收無線電波的裝置。
天線的英文名：Antenna（也有觸須、直覺之意）
再通俗點，天線就是一個“轉(zhuǎn)換器”——把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。
天線的作用
什么叫導(dǎo)行波？
簡單來說，導(dǎo)行波就是一種電線上的電磁波。
天線是怎么實現(xiàn)導(dǎo)行波和空間波之間轉(zhuǎn)換的呢？
看下圖：
中學(xué)物理學(xué)過，兩根平行導(dǎo)線，有交變電流時，就會形成電磁波輻射。
兩根導(dǎo)線很近時，輻射很微弱（導(dǎo)線電流方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎抵消）。
兩根導(dǎo)線張開，輻射就會增強(qiáng)（導(dǎo)線電流方向相同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同）。
當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到波長的1/4時，就能形成較為的輻射效果！
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(dǎo)線電流方向的變化，產(chǎn)生了變化的電場
產(chǎn)生電場的這兩根直導(dǎo)線，就叫做振子。
通常兩臂長度相同，所以叫對稱振子。
長度像下面這樣的，叫半波對稱振子。
半波對稱振子
把導(dǎo)線兩頭連起來，就變成了半波對稱折合振子。
半波對稱折合振子
有點像刷墻的油漆刷子。
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(jié)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啊？
放心！作為一個百年一遇的良心公眾號，鮮棗課堂騙天騙地都不敢騙各位粉絲爸爸！
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(jìn)行大致歸類。
按波長分：中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線...
按性能分：高增益天線、中增益天線...
按指向分：全向天線、定向天線、扇區(qū)天線...
按用途分：基站天線、電視天線、雷達(dá)天線、電臺天線...
按結(jié)構(gòu)分：線天線、面天線...
按系統(tǒng)類型分：單元天線、天線陣...
……
如果按照外型來分，常見的幾種，如下圖：
鞭狀天線
拋物面天線
八木天線
PS：八木天線并不是八根木頭，雖然我數(shù)學(xué)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(jì)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）。
我們通信汪最關(guān)心的，當(dāng)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。
我們重點說說室外的。
室外基站天線也分為全向的和定向的。定向天線再細(xì)分為定向單極化天線和定向雙極化天線。
什么是極化？別急，我們待會再說。我們先說說全向和定向。
其實顧名思義，全向天線就是向四周發(fā)射和接收信號的，而定向天線，是向指定方向。
室外全向天線，是這樣的：
就是一根棒子，有粗的，也有細(xì)的。
它里面的振子，是這樣的：
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(luò)（饋電網(wǎng)絡(luò)）
封裝防護(hù)（天線罩）
之前我們看到那些奇怪形狀的振子，其實都是基站天線的振子。
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”。
無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。
如果電波的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。另外，還有±45°的極化。
不僅如此，電場的方向還可以是螺旋旋轉(zhuǎn)的，叫橢圓極化波。
雙極化，就是2個天線振子在一個單元內(nèi)，形成兩個獨立波。
采用雙極化天線，可以在小區(qū)覆蓋時減少天線的數(shù)量，降低天線架設(shè)的條件要求，進(jìn)而減少投資，還能保證覆蓋效果。總之，就是好處多多。
密集恐懼癥又犯了。。。
我們繼續(xù)前面全向和定向天線的話題。
為什么定向天線可以控制信號的輻射方向呢？
我們先來看個圖：
這種圖，叫做天線方向圖。
因為空間是三維立體的，所以這種從上往下的俯視，以及從前往后的正視，會更加清晰直觀地觀察到天線輻射強(qiáng)度的分布。
上圖也是一對半波對稱振子產(chǎn)生的天線方向圖，有點像個平放的輪胎。
話說，天線的諸多特性中，一個很重要的能力，就是輻射距離。
怎樣才能讓這個天線的輻射距離更遠(yuǎn)呢？
答案就是——
拍它。。。
啪嘰！
這下輻射距離不就遠(yuǎn)了嘛。。。
問題是，輻射這玩意，看不見抓不著，你想拍它，也拍不著啊。
在天線理論里，如果你想拍這一巴掌，正確的做法是——增加振子。
振子越多，輪胎越扁。。。
這個造型有點像那啥啊。。。呵呵
好了，輪胎被拍成了餅，信號距離是遠(yuǎn)了，而且，它是向周圍360°發(fā)散的，是個全向天線。這種天線，放在荒郊野外，是極好的。但是，在城市里，這種天線就很難玩得轉(zhuǎn)了。
城市里，人群密集，建筑林立，通常需要使用定向天線，對指定范圍進(jìn)行信號覆蓋。
城區(qū)基本上都是定向天線
于是乎，我們就需要對全向天線進(jìn)行“改造”。
首先，我們要想辦法把其中一側(cè)“擠一擠”：
怎么擠呢？我們加上反射板，擋在一側(cè)。然后，配合多個振子，進(jìn)行“聚焦”。
最后，我們得到的輻射形狀，是這樣的：
圖中，輻射強(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)，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(jī)械下傾”。
現(xiàn)在的天線，安裝時都具備這個能力，一個機(jī)械臂，搞定。
但是，機(jī)械下傾也存在一個問題——
采用機(jī)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(yán)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(diào)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(diào)整天線的振子相位，改變場強(qiáng)強(qiáng)度。
來個動圖，就看明白了：
相比于機(jī)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(dāng)然啦，在實際使用中，經(jīng)常會機(jī)械下傾和電調(diào)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(yuǎn)，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)。
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