揭开天线的面纱,剥开天线的外衣

李倩 发表于 2018-09-05 16:32:27 收藏 已收藏
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揭开天线的面纱,剥开天线的外衣

李倩 发表于 2018-09-05 16:32:27

01

揭开天线的面纱

众所周知,天线是基站和手机发射信号用的。

天线这个词的英文是Antenna,原意为触须的意思。触须就是昆虫头顶上的两根长长的细丝,可别小瞧这样不起眼的玩意儿,昆虫正是由这些触角发送的各种化学信号来传递各种社交信息的。

与此类似,在人类世界里,无线通信也是通过天线来传递信息的,只不过传递的是承载着有用信息的电磁波。下图就是手机和基站之间相互通信的一个示例。

那么实际中的天线都长什么样呢?由于用途的不同,天线的形态实在是太多了,大到接收电视信号的锅(抛物面天线),小到隐藏在手机中的天线,因功能不同而形态各异。

说到天线,大多数人最常看到的就是家里无线路由器的天线了。

就是这一根根棍子一样的天线,让我们能享受到飞一样的网速。

在很久以前,听广播是件很时髦的事情,收音机上面都有一根能一节一节拉伸的长长的天线,这种天线和路由器天线如出一辙,叫做鞭状天线,也叫伸缩天线或者拉杆天线。

在史前时代,每个城市的最高建筑必然是电视塔,电视也都是通过天线来接收从电视塔发来的信号的,其顶上的两根触角一样的鞭状天线形成了很多人对天线的最初印象。不论是形状还是作用都和昆虫的触须完全类似。

除此之外,还有各种各样,形形色色的不同类型的天线,按照不同的分类方法都可以给出不同的类型。

1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。

2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。

4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。

6、按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线。

7、天线根据使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。

就像盲人摸象一样,每种分类方式都只能描述天线的一个侧面或者一类特征,把这些分类法所针对的特征全部糅合起来才能看清天线的全貌。

为了减少复杂度,我们就先以最直观的分类方法为切入点,百闻不如一见,让大家看看不同用途的真实天线是什么样的。

下图中的这种天线很多人应该见过,在以前主要架在屋顶上,用于电视信号的接收(电视自带的鞭状天线实在是能力有限)。这种鱼骨状的天线就叫八木天线。

不用数到底天线上是不是有8根杆了。之所以叫八木天线这个名称是因为它的发明者是个叫八木秀次的日本人。八木天线主要用于电视信号的接收,用于无线通信的场景不多。

下面这张图是用于雷达的抛物面天线,就像一个个巨大的锅一样,蔚为壮观。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向,这个形状是非常适合的。

下面的这些“锅”就要小一些了,这就是用于收发微波信号来传递信息的微波天线。微波这类电磁波的波长很短,主要以直线传播,收发天线要相互对准才能工作,在无线通信中主要用作传输。

如果你仔细看上面这些图,会发现在铁塔的最上端,有一些板状的东西,这就是本文的主角:通信天线(细分类型为定向天线:信号的收发在一定的方向上),最经常和手机直接眉目传情的就是这货。

既然有定向天线,必然也会存在全向天线。顾名思义,全向天线可以360°无死角收发信号,室外全向天线,以及用于室内覆盖的吸顶天线。

回到本文的主角:定向天线。要揭开这货神秘的面纱,就要拆开来看看内部到底装了些什么东西。

内部空荡荡的,结构并不复杂嘛,就是由振子,反射板,馈电网络和天线罩组成。这些内部结构都是做什么的,怎样就实现了定向发射接收信号的功能呢?

这一切就要从电磁波来说起了。

02

剥开天线的外衣

天线之所以能高速地传递信息,就是因为它能把载有信息的电磁波发射到空气中,以光速进行传播,最终抵达接收天线。

这就好像用高速列车运送乘客一样,如果把信息比作乘客,那么运送乘客的工具:高速列车就是电磁波,而天线就相当于车站,负责管理调度电磁波的发送。

那么,什么是电磁波呢?

科学家对电和磁这两种神秘力量研究了上百年,最终英国的麦克斯韦提出:电流能在其周边产生电场,变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场。最终这个理论被赫兹的实验所证实。

电磁场在这样的周期性变换中,电磁波就辐射出来,向空间传播。

如上图所示,红色的线表示电场,蓝色的线表示磁场,电磁波的传播方向同时垂直于电场和磁场的方向。

那么,天线是怎样把这些电磁波发送出去的呢?看完下图就明白了。

上面这种产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。一般情况下,振子的大小在半个波长的时候效果最好,所以也经常被称作“半波振子”。

有了振子,电磁波就可以源源不断地往外发射了。如下图所示。

真实的振子长下图这样。

半波振子把电磁波源源不断地向空间传播,但信号强度在空间上的分布却并不均匀,像是轮胎一样的环形。

但实际上,我们基站的覆盖需要在水平方向上更远一些,毕竟需要打电话的人都在地上;垂直方向就到高空了,高空中也没啥需要边飞边刷抖音的人(航线覆盖是另外一个话题,下次再讲),因此,在电磁波能量的发射上,需要增强水平方向,削弱垂直方向。

根据能量守恒原理,能量既不会增加也不会减少,如果要提高水平方向的发射能量,就要削弱垂直方向的能量。因此就只有把标准半波阵子的能量辐射方向图拍扁了,如下图所示。

那么怎样拍扁呢?答案就是增加半波振子的数量。多个振子的发射在中心汇聚起来,边缘的能量的到了削弱,就实现了拍扁辐射方向,集中水平方向能量的目的。

在一般的宏基站系统中,定向天线的使用最为普遍。一般情况下,一个基站被划分为3个扇区,用3个天线来覆盖,每个天线覆盖120度的范围。

上图是一个片区域的基站覆盖规划图,我们可以清楚地看出,每个基站都由三个扇区组成,每个扇区用不同的颜色表示,也就需要三副定向天线来实现。

那么,天线是怎样实现电磁波的定向发射呢?

这当然难不倒聪明的设计师。给振子增加反射板,把本该向另外一边的辐射的信号反射回来不就行了么?

就这样增加振子让电磁波在水平方向传得更远,再增加反射板控制方向,经过这么两下折腾,定向天线的雏形诞生,电磁波的发射方向变成了下图这样。

水平方的主瓣向发射地远远地,但垂直方向产生了上旁瓣和下旁瓣,同时由于反射不完全,后面还有个尾巴,称为后瓣。

到了这里,对天线的最重要的指标:“增益”的解释就水到渠成了。

顾名思义,增益就是指天线能把信号增强。按理说天线时不需要电源的,只是把传给它的电磁波发射出去,怎么又会有“增益呢”?

其实,有没有“增益”,关键看跟谁比,怎么比。

如下图所示,相对于理想的点辐射源和半波振子,天线在可以把能量聚集在主瓣方向,能把电磁波发送地更远,相当于在主瓣方向上增强了。也就是说,所谓增益是在某个方向上相对于点辐射源或者半波振子来说的。

那么,到底怎么衡量天线主波瓣的覆盖范围和增益呢?这就需要再引入一个“波束宽度”的概念。我们把主瓣上中心线两侧电磁波强度衰减到一半时的范围称为波束宽度。

因为强度衰减一半,也就是3dB,所以波束宽度也叫“半功率角”,或者“3dB功率角”。

常见的天线半功率角以60°居多,也有窄一些的33°天线。半功率角越窄,主瓣方向信号传播地越远,增益就越高。

下来我们把天线的水平方向图和垂直方向图结合起来,就得到了立体图辐射图,看起来直观多了。

显然,后瓣的存在破坏了定向天线的方向性,是要极力缩小的。前后波瓣之间的能量比值叫做“前后比”,这个值越大越好,是天线的重要指标。

上旁瓣的宝贵的功率白白地发射向了天空,也是不小的浪费,所以在设计定向天线时要尽量把上旁瓣抑制到最小。

另外,主瓣和下旁瓣之间有一些空洞,也称为下部零陷,导致离天线较近的地方信号不好,在设计天线的时候要尽量减少这些空洞,称作“零点填充”。

03

与天线坦诚相见

下面再说天线的另一个重要概念:极化。

前面已经提到过,电磁波的传播本质上是电磁场的传播,而电场是有方向的。

如果电场方向垂直于地面,我们称它为垂直极化波。同理,平行于地面,就是水平极化波。

如果电场的方向和地面成45°夹角,我们就其称为±45°极化。

由于电磁波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,从而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。

作为折中优化方案,现在主流的天线都是采用的±45°两种极化方式叠加起来,由两个振子在一个单元内形成两个正交的极化波,被称为双极化。这种实现方式在保证性能的同时,也使得天线的集成度大大提高。

这就是天线示意图里面喜欢画上若干个叉叉的原因,这些叉叉既形象地表示了极化方向,也表示了振子的数量。

有了高增益的定向天线,直接挂在塔上就可以了吗?

显然,挂地低了建筑物遮挡太多,不行;挂高了,空中又没人,白白浪费信号,而且让信号传得太远的话,基站还可以勉强接受,但手机的发射功率太小,发了基站也收不到。

因此,这天线得对着有人的地面上发射信号,覆盖的范围还得控制住。这就需要把天线下倾一个角度,像路灯一样,每根天线各自负责各自区域的覆盖。

这就引入了天线下倾角的概念。

所有天线都在其安装支架上设有带角度刻度的旋钮,通过扭动旋钮来控制支架的机械运动,就可以调节下倾角了。所以,通过这种方式调整下倾角又叫机械下倾。

但这种方式有两个明显的弊端。

第一就是麻烦。为了做网络优化调整个角度,就需要工程师上站爬塔,实际效果咋样还不好说,实在是不方便,成本高。

第二就是机械下倾这种调整方式太过简单粗暴,而天线垂直分量和水平分量的幅值是不变,因此会导致覆盖方向图产生畸变。

费了这么大劲,调整前后的覆盖完全变了,很难达到预期的效果,而且还由于后瓣的上翘导致对其他基站的干扰也增加了,因此机械下倾角只能小幅调整。

那么,有没有更好的办法呢?

办法还真有,就是使用电子下倾。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位,改变垂直分量和水平分量的幅值大小,改变合成分量场强强度,从而使天线的垂直方向图下倾。

也就是说,电子下倾无需真地让天线倾斜,只需要工程师在电脑前,点点鼠标,用软件调整就可以了。而且,电子下倾也不会引起辐射方向图的畸变。

电子下倾的简单,方便也不是凭空而来,而是经过了业界的共同努力才实现的。

2001年,几个天线厂家凑在一起,成立了一个叫做AISG ( 天线接口标准组Antenna Interface Standards Group )的组织,想要把电调天线的接口标准化。

截止目前,已经有了两个版本的协议:AISG 1.0和AISG 2.0。

有了这两个协议,即使天线和基站是由不同厂家的生产的,只要它们都遵从相同的AISG协议,它们之间就能互相传递天线下倾角的控制信息,实现下倾角的远程调整。

随着AISG协议的向后演进,不但垂直方向的下倾角可以远程调整,连水平方向的方位角,还有主波瓣的宽度和增益都可以远程调整了。

并且,由于各运营商的无线频段越来越多,加之4G的MIMO等技术对天线端口数量的要求剧增,天线也逐渐由单频双端口向多频多端口演进。

天线的原理看似简单,但对性能精益求精的追求却没有止境。本文到此,也只是定性地描述了基站的基本知识,至于里面更深的奥妙,如何更好地支持向5G的演进,一波波的通信人还在上下而求索。

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