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揭开天线的⾯纱
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。冰浆机
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，蜉蝣君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？微生物添加剂
这⼀切就要从电磁波来说起了。
02
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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。详情见⽂章：“电磁波看不见摸不着，这个年轻⼈的奇思妙想改变了世界”。
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。
纳豆菌种根据能量守恒原理，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。
在⼀般的宏系统中，定向天线的使⽤最为普遍。⼀般情况下，⼀个被划分为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覆盖规划图，我们可以清楚地看出，每个都由三个扇区组成，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。
抽滤装置那么，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
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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。
微型拉曼光谱仪
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。
红外线烘干箱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，还可以勉强接受，但⼿机的发射功率太⼩，发了也收不到。
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。
能看到这⾥的，都是真爱。
谢谢⼤家。
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