科普|天线的发明历史与重要作用，你了解多少？

hua818

大家好，我是小枣君。

今天我要给大家介绍的是天线。

嗯，就是这个东西：

天线是我们生活中非常常见的通讯设备。然而，大多数人实际上对此了解不多。他们可能只知道它发送和接收信号。

于是，小枣君花了一周的时间，忍住了大招，编码了这篇文章——

本文面向零基础知识的读者，无论是专业人士还是非专业人士。它绝对易于理解并且充满有用的信息。

废话不多说，我们直接进入正题吧！

顺便说一下，自从1894年老科学家波波夫成功发明天线以来，这东西已经有124年的历史了（我数了三遍，应该没错）

）。

波波夫和他的发明

在这段漫长的历史中，它为人类社会的发展和进步做出了卓越的贡献。

二战中屡立奇功的英国雷达天线

如今，无论是普通人的日常工作生活，还是科学家的科学研究探索，都离不开天线王的默默奉献。

天线是一种什么样的“电线”，为什么它能如此彻底地改变我们的生活？

其实天线之所以厉害，是因为电磁波厉害。

电磁波之所以令人敬畏的主要原因之一是它们是唯一可以不依赖任何介质传播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能在瞬间轻松地来去。

电磁波效应图

电磁波传播示意图

要充分利用这种“神秘力量”，您需要一根天线。

在无线电设备中，天线是用于辐射和接收无线电波的装置。

天线的英文名称：（也有触手、直觉的意思）

更简单地说，天线就是一个“转换器”——将传输线上传播的导波转换成自由空间中传播的电磁波，或者反之亦然。

天线的作用

什么是导波？

简单来说，导波就是导线上的电磁波。

天线是如何实现导波与空间波的转换的？

看下面的图片：

我在中学物理中了解到，当两条平行的导线通有交流电时，就会形成电磁波辐射。

当两根导线非常接近时，辐射非常弱（导线的电流方向相反，产生的感应电动势几乎抵消）。

当两根导线展开时，辐射会增强（导线中电流的方向相同，产生的感应电动势的方向也相同）。

当导线长度增加到波长的1/4时，可以形成更好的辐射效果！

当有电场时，就会有磁场。当有磁场时，就会有电场。在这个循环中，就有电磁场和电磁波。 。 。

电产生磁，磁产生电

这里还有一个动画可以让你体验这个美好的过程：

电线中电流方向的变化会产生变化的电场

产生电场的两根直线称为振荡器。

通常两臂的长度相同，因此称为对称振荡器。

如下所示的长度称为半波对称振荡器。

半波对称振荡器

通过连接导线的两端，就成为半波对称折叠振荡器。

半波对称简化振荡器

有点像画墙的画笔。

对称振荡器是迄今为止最经典、应用最广泛的天线。

理论还是有点枯燥，赶紧跟实际结合起来吧。

现实世界中的振动器是什么样子的？

杜啊！就是这样 -

它只是一块金属。 。 。半波对称振荡器（非简化）

嗯，其实上面只是振荡器的传统形式。它还有N个变换状态：

奇怪的振动器

使困惑？如果振动器是天线，那么天线在哪里？我们在现实生活中看到的天线不就是像鸟一样吗？

放心！作为一个有良心的百年一遇的公众号，闲皂课堂不敢欺骗所有粉丝爸爸们！

准确地说，振荡器并不是一个完整的天线。振子是天线的核心部件，其形状随着天线的形状而变化。

有许多不同的天线形状。 。 。更多。 。 。 。 。 。

总而言之，有成百上千。 。 。

虽然天线的形状千奇百怪，但根据相似程度可以大致分类。

按波长分：中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线……

按性能分：高增益天线、中增益天线...

按方向分：全向天线、定向天线、扇形天线……

按用途分：基站天线、电视天线、雷达天线、广播天线...

按结构分：线天线、面天线...

按系统类型分：单元天线、天线阵列...

……

如果按照外观来划分，常见的有以下几种：

鞭状天线

抛物面天线

八木天线

PS：八木天线不是八块木头。虽然我数学不好，但我还是能数到八。之所以称为八木，是因为它是由日本八木修二和宇田太郎在20世纪20年代发明的。它被称为“八木宇田天线”，简称“八木宇田天线”（可怜的宇田）。

当然，我们通信爱好者最关心的就是——通信基站天线！

基站天线是基站天馈系统的组成部分，也是移动通信系统的重要组成部分。

基站天线一般分为室内天线和室外天线。

室内天线通常包括全向吸顶天线和定向壁挂天线。

让我们把注意力集中在户外。

室外基站天线也分为全向型和定向型。定向天线又分为定向单极化天线和定向双极化天线。

什么是极化？别担心，我们稍后再谈。先说全向和定向。

事实上，顾名思义，全向天线是在各个方向上发射和接收信号，而定向天线则是在指定方向上发射信号。

室外全向天线长这样：

就是一根棍子，有的粗，有的细。

其内部的振荡器是这样的：

与全向天线相比，定向天线在实际工作和生活中应用最为广泛。

大多数时候它看起来像一块板，所以被称为板天线。

板式天线主要由以下几部分组成：

我们之前看到的那些奇形怪状的振子，其实就是基站天线的振子。

您是否注意到这些振荡器的角度有一定的模式：“+”或“×”。

嗯，这就是我们前面提到的“两极分化”。

当无线电波在空间传播时，其电场方向按一定规律变化。这种现象称为无线电波的极化。

如果无线电波的电场方向垂直于地面，我们称其为垂直极化波。同理，平行于地面，它是水平极化波。此外，还有±45°偏振。

不仅如此，电场的方向还可以螺旋旋转，称为椭圆极化波。

双极化是指两个天线元件在一个单元中，形成两个独立的波。

采用双极化天线可以减少小区覆盖时的天线数量，降低天线架设要求，从而减少投资，保证覆盖效果。简而言之，有很多好处。

密集恐惧症再次出现。 。 。

我们继续之前的话题全向和定向天线。

定向天线为什么可以控制信号的辐射方向？

我们先看一张图：

这种图称为天线方向图。

由于空间是三维的，俯视图和前后视图会更清晰直观地观察到天线辐射强度的分布。

上图也是一对半波对称振子产生的天线方向图，有点像漏气的轮胎。

也就是说，在天线的众多特性中，一个非常重要的能力就是辐射距离。

怎样才能让这个天线的辐射距离更远呢？

答案是——

射击它。 。 。

砰!

现在辐射距离很远。 。 。

问题是，辐射是看不见的，无法掌握的。就算你想拍张照片也拍不到。

在天线理论中，如果你想拍这个，正确的做法是添加振荡器。

振动器越多，轮胎就越扁平。 。 。

这个形状看起来有点像。 。 。呵呵

嗯，轮胎拍成饼了，信号距离远，而且向四周辐射360°，堪称全向天线。这种天线放置在野外时效果极佳。然而，在城市中，这种天线很难使用。

在人群密集、建筑物众多的城市中，通常需要使用定向天线来提供指定范围内的信号覆盖。

市区基本都是定向天线

于是乎，我们需要对全向天线进行“改造”。

首先，我们得想办法“挤”一侧：

怎么挤？我们添加了一块反光板来遮挡一侧。然后，配合多个振动器进行“聚焦”。

最后我们得到的辐射形状是这样的：

图中，辐射强度最高的波瓣称为主波瓣，其余波瓣称为次波瓣或旁波瓣。屁股上还有一个小尾巴，称为后叶。

呃，这个造型有点像。 。 。茄子？

对于这个“茄子”，大家可以想一想，怎样才能最大限度地利用它来进行信号覆盖呢？

抱着它站在路上肯定是不行的，障碍物太多了。

高瞻远瞩。我们必须走得更高。

当我们到达了高处，又怎能低头呢？如果你和我一样聪明，你一定已经想到了。这很简单。天线体向下倾斜不就可以了吗？

是的，一种方法是在安装时直接倾斜天线。我们称之为“机械下倾”。

现在的天线在安装过程中都具备这种能力，机械臂就可以做到。

不过，机械向下倾斜也存在一个问题——

当采用机械下倾时，天线垂直和水平分量的幅度保持不变，因此天线方向图变形严重。

这是绝对不可能的，因为它会影响信号覆盖范围。因此，我们采用了另一种方法，就是电子调节下倾，简称电动下倾。

简而言之，电下倾就是保持天线本体物理角度不变，通过调整天线振荡器的相位来改变场强。

这里有一个动画可以帮助您理解：

与机械下倾相比，电下倾的天线方向图变化不大，下倾程度较大，且前瓣和后瓣指向下方。

当然，在实际使用中，机械下倾和电控下倾常常结合使用。

倾斜下来之后就变成了这样——

这样，天线的主要辐射范围就得到了充分利用。

然而，仍然存在问题：

1. 主瓣和下旁瓣之间有一个较低的零深度，这会导致该位置出现信号盲区。通常，我们称之为“光明下的黑暗”。

2 上旁瓣角度较高，影响距离较远，容易造成跨区干扰，即信号会影响其他小区。

因此，我们必须努力填补“下零深度”的空缺，抑制“上旁瓣”的强度。

具体方法是调整旁瓣的电平、采用波束形成等方法。技术细节有点复杂。如果您有兴趣，可以自行搜索相关资料。

这里面的学问确实很深，所以无数的天线专家都在研究这个课题，并不断的开发和测试。

上图为天线测试室

一款优秀的天线离不开良好的做工、可靠的材料以及不断的测试。

好了，文章到此就结束了！你在这里看到的绝对是真爱！

事实上，有关天线的知识远不止本文所述。由于篇幅所限，今天就到这里吧。

总之，天线确实是一门高深的学问，远比大家想象的要复杂。而且目前正处于快速发展阶段，还有很大的潜力可以挖掘。

尤其是对于即将到来的5G，天线技术的创新是重中之重。各大设备厂商在5G天线上肯定会全力以赴、全力以赴。

届时会出现什么样的天线黑科技？让我们拭目以待吧！

5G天线（大规模天线阵列）