天线的哲学

网优小谈2021-06-08 07:11:47

在约翰.克劳斯所著《天线》一书的开篇有这么一句话,天线是人们见闻世界的耳目,是人类与太空的联系,是文明社会的组成要素。短短的几句话将天线的重要性以及特征刻画无疑。


从整个通信系统来看,天线是门户,是整个系统中最重要的技术组成部分,是整个通信王冠中最亮的宝石。当然这块宝石看似与王冠其他组成部分显得那么“格格不入”。从物理的角度来看,天线是电路信号转为电磁场的转换器。从系统设计的角度来看,像基带,射频,传输,核心网技术更多以工程思想进行OSI的分层进行处理,而天线更像是个独立王国,它没有那些调制,编码,信令的严格逻辑论断,反而更像是通过数学,微积分,立体几何等多个基础学科综合搭建的一个新的领域。面对一个新的研究领域,会接触很多的名词,比如什么叫菲涅耳区啊?什么叫定向性啊?什么叫弗里斯传输公式?什么叫椭圆极化波?小编相信,如果不是天线方面的专家,即使是大部分具有多年通信行业资深经验的工程师听了这些名词也会一脸懵比。没关系,任何行业都有各个行业的“语言”,我们先熟悉这些基本的词汇语言,慢慢就可以进行交流了。


天线极化

天线极化是天线技术中的一个重要概念。根据基本的电磁场原理,无线信号是通过空间的“场”进行传播的。而这个场就是电磁场,变化的电场产生磁场,反过来变化的磁场又产生电场,电磁场就是这么交替反复应运而生。而一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。比如电场方向垂直地面,这就叫做垂直极化波,如果电场方向平行地面,则叫做水平极化波。极化一般有三种类型,分别是线极化、椭圆极化和圆极化。垂直极化波和水平极化波都属于线性极化。而这三种极化方式又存在了辩证的关系,线极化和圆极化是椭圆极化的两种特例。


线极化(垂直极化)


线极化(水平极化)


椭圆极化可以认为是两个具备一定相位差的正交线极化分量之和。从

圆极化是椭圆极化的特例,从数据定义看,当椭圆极化两个正交线极化的最大投影分量E1=E2,并且相位差为正负90度,就蜕变成圆极化。圆极化还分成左旋圆极化波和右旋圆极化波,其实左和右是相对的,通过来波的方向进行观察,如果基于时间的相位变化是顺时针,就是右旋极化,反之,则是左旋极化。


定向性和增益

对于通信工程师来说,往往提到天线增益,都耳熟能详。比如某某天线增益17dBi,天线增益是天线实际的物理参量,定向性是天线增益的理论依据。天线的定向性是远场区的某一球面上最大辐射功率密度与平均值之比,或者等于球面范围(4π)与天线波束范围之比,是大于等于1无量纲的比值。理想化的各向同性天线具有最低可能的定向性D=1。由于实际天线由于欧姆损耗,发热导致功率损耗,或者馈线失配等原因造成定向性的削弱,因此天线增益是天线定向性的效率的表征,是出厂前在微波暗室实测的结果。可以认为天线增益G=kD(0≤k≤1,k为无量纲的效率因子)。


波束范围

波束范围是结合了空间面积和归一化功率的一种表征。波束范围ΩA是指天线的所有辐射功率按照辐射功率密度最大值(也就是最大增益的功率密度)均匀流出时的立体角。这个也很好理解,我们可以想象端上来新鲜出炉的披萨,这时候的披萨是全向的,可以类比全向弥散的辐射功率,当我们把全向弥散的披萨收拢按某个角度叠放在一起时,这时候总的辐射功率不变,但是按照某一角度的披萨条数增多了,这就是最大增益。同时辐射的角度也汇聚了,这个汇聚的角度就是波束范围,当时实际情况是三维立体的,这里只是简单的利用披萨形象的说明一下定向性和波束范围的概念和关系。


1/4波长单极子天线,半波长偶极子天线,半波长振子

经常听到这么几个名词,天线振子,偶极子天线,单极子天线,半波长,1/4波长,这都是什么概念,为什么是半波长?


偶极子天线是一种最简单,最常见的天线形态。偶极子是指相距较近,符号相反的一对电荷或者“磁荷”,沿直线往返做简谐运动。匀速运动的电荷不会产生辐射,而往返简谐运动的电荷会产生辐射场。这就是经典电磁学理论宣称的变化的电场会产生磁场,而变化的磁场又会产生电场,周而往复,交织产生。偶极子天线中做往返简谐振动的电荷就是天线辐射场产生的根源。经典的面包圈全向天线辐射图就是偶极子天线的辐射场描述。


从电器设备的角度看,振子是可以传递交变电流的导体。站在天线的角度观察,振子就是最基础的天线单元,既可以作为单独的天线形态存在,也可以作为天线振子组共存。两臂长度相等的振子叫做对称振子,对称振子就是承载偶极子电荷的物理实现。某种意义上,偶极子天线的称谓是通过天线的逻辑原理命名,而对称振子天线则是通过天线的工程形态进行命名。


单极子天线可以认为是偶极子天线切去一半(切去一臂),因此单极子可以理解为单偶极子,即偶极子的上臂保持不动,下臂进行了接地处理。由于对称性,单极子天线输入电阻是偶极子输入电阻的一半,由于电流保持一致,馈电电压可以是一半,同理,辐射电阻或者辐射功率也是偶极子一半。另外由于单极子天线只辐射上半空间,如果保持馈电电压一定的前提下,单极子天线的定向性是偶极子天线的2倍,这好比把一个气球放在地面挤压,下半平面挤平了,而上半平面被挤出更大的形状了。

为什么我们经常听到偶极子天线是半波长偶极子天线,对应单极子天线就是1/4波长偶极子天线呢?这里主要是有电器设备的考量。天线的目的是尽量以最大的效率将无线电波信号传输到很远的地方,因此天线的辐射功率需要尽可能的高。从电路电器的角度来看,天线是既有阻性,也具备抗性(容抗,感抗)的电路器件,为了获得较高的辐射功率,应该使得天线呈现阻性。当偶极子的单臂振子长度为1/4波长的时候(也就是偶极子为半波长时),电路器件更接近谐振状态,谐振状态的感应电流最大,同时天线呈现阻性,这是辐射电阻最大,辐射功率也最大。当偶极子振子两臂长度超过半波长时,偶极子天线会产生反向电流,导致空间辐射的波瓣方向图产生不必要的副瓣,因此半波长偶极子天线(1/4波长单极子天线)是最合适的天线工程设计。


全向天线的现实意义

偶极子天线产生的天线增益波瓣图就像前面提到的面包圈一样,在水平方向的切面增益最大,而理论上垂直切面,也就是偶极子振子的两个方向功率最小。这就好比是一个充满了气的游泳圈,从两端使劲的向中心加压,辐射在空间的总能量是守恒的,两端的能量变大,中间的能量收敛了。偶极子天线也可以称作是全向天线(英文叫omnidirectional antenna),这有别于那种全方向弥散式天线(英文叫isotropic antenna),弥散式天线的空间各个方向的增益是均等的,或者可以认为基础增益是0dB,可以形象的理解全向天线的辐射增益就是弥散式天线从两端向中间挤压的结果,在水平方向上最强的辐射增益就是“挤”出来的结果,衰减了两端,“挤”出了很大的水平场,有点类似一句俗语说的“拆东墙,补西墙”。全向弥散式天线是天线场的理论原形,而偶极子全向天线则是这一理论原形的现实版本。这一现实和理想的增益差距是2.14dB,也就是一般用来描述天线增益指标的2.14dBi。

                            Matlab仿真出的球状全向天线增益图


偶极子天线是最基础的天线形态,就好比搭积木一样,这就是最基础的积木插件,各种复杂的阵列天线,赋型天线,甚至Massive-MIMO天线都是一众偶极子天线根据不同算法,不同天线工艺要求有机排列组合而成。例如GSM阵列天线就是天线的竖直方向排列多个正交极化的偶极子,天线的背向加反射板使得全向天线变成了定向天线,这样的天线波瓣在垂直方向成窄波束,水平方向是定向宽波束,同时由于偶极子的场的叠加和天线的不同工艺水平,可能会产生天线技术工艺中需要尽量削弱的副波瓣。为什么采取正交极化的天线进行传输呢,这样可以减小天线的尺寸,因为非正交极化的振子需要保持半波长的隔离度,还记得早起的TDS天线由于需要在水平方向排列天线振子从而达到水平方向赋型的目的,从而导致早期现网的TDS天线宽的跟床板一样,也由此得到了床板天线的绰号。

偶极子天线虽然是天线技术中最为重要的一环,不过由于偶极子天线的全向性,现实网络规划场景下纯偶极子天线的应用比较少见。但是对于一些特殊场景,比如既要覆盖铁路、公路、又要覆盖乡镇的小话务地区,且站间距较远,可以采取全向站的配置解决广域覆盖的主要矛盾。

对于我们平常很常见到的室分吸顶全向天线,不是我们这里提到的“面包圈”式的偶极子全向天线,其更偏向是180x360的球面波全向天线。


从天线辐射场的角度来看,天线不仅是一项高超的工艺技术,同时也是一种极具魅力的艺术形式,而且往往作为移动通信的前后端信号交互器件并不被网络运营人员所太多了解内部细节,至少在小编刚刚接触这些基础概念的时候,一度恍然认为自己读了个假博士。不过,如果通过辩证的角度尝试理解天线繁复的技术原理细节,没准会有有趣的开端,也能够乐于步步深入,也许这就是天线的哲学。