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揭秘基站天线从原理到形态
基站的天线,比基站本身更为醒目。"天线"这两个字,也不像它们看上去那样简单。但是,我们会尽力把它说得简单有趣。看完本篇关于天线的介绍,你将会了解:①到底什么是天线?②天线是怎样发射信号的?③天线有哪些关键指标?
一、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。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。
对称振子是迄今最为经典,使用最为广泛的天线。理论还是有点枯燥啊,赶紧的,我们来结合一下实物。真实世界中的振子,是个什么样?Duang!就是这样——就是这么个金属片。。。半波对称振子(非折合)
好吧,其实上面这个只是振子的一个传统形态,它还有N种变(身)态:造型怪异的振子懵逼了吧?如果说振子就是天线,那这哪里是天线嘛?我们现实生活中看到的天线不是这个鸟样啊?确切地说,振子不是一个完整的天线。振子是天线的核心部件,形态会随天线的形态变化而变化。而天线的形态,实在是太TM多了。。。多了。。。了。。。总而言之,成百上千。。。
虽然天线的形态千奇百怪,但是根据相似度,也可以进行大致归类。如果按照外型来分,常见的几种,如下图:
鞭状天线
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。
抛物面天线
八木天线
PS:八木天线并不是八根木头,虽然我数学不好,但是八我还是数得来的。之所以叫八木,是因为它是二十世纪20年代日本人八木秀次和宇田太郞发明的,叫“八木宇田天线”,简称“八木天线”(可怜的宇田)
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。
我们通信汪最关心的,当然是——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等。
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。就是一根棒子,有粗的,也有细的。它里面的振子,是这样的:
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。相比全向天线,现实工作生活中,定向天线使用最为广泛。它大部分时候看上去就是一个板子,所以叫板状天线。
板状天线,主要由以下部分组成:辐射单元(振子)反射板(底板)功率分配网络(馈电网络)封装防护(天线罩)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。
二、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
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