今天要給大家介紹的，是天線。
嗯，就是這個：
天線，在我們生活中是一種很常見的通訊設備。但大部分人其實對它并不了解，可能隻是知道它可以收發信号而已。
為此，本着科普精神，一個不能少的原則，跟大家好好聊聊這個有意思的東東。
本文面向零基礎讀者，專業或非專業人士，皆可閱讀，絕對通俗易懂，幹貨滿滿。
話不多說，直入正題！
話說，自從1894年老毛子科學家波波夫成功發明了天線之後，這玩意迄今已有124年的曆史。
波波夫和他的發明
在這漫長的曆史長河之中，天線對人類社會發展和進步做出了卓絕的貢獻。
二戰中屢立奇功的英國雷達天線
如今，不管是老百姓日常工作生活，還是科學家進行科研探索，都離不開天線君的默默奉獻。
我們可是第一批“看見”黑洞的人類
那天線究竟是一根什麼樣的“線”，為什麼會如此徹底地改變我們的生活？
其實，天線之所以牛逼，就是因為電磁波牛逼。
電磁波之所以牛逼，一個主要原因就是，它是唯一能夠不依賴任何介質進行傳播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能來去自如，而且轉瞬即至。
電磁波效果圖
電磁波傳播示意圖
但要想充分利用這股“神秘力量”，就需要使用到天線啦。
在無線電設備中，天線就是用來輻射和接收無線電波的裝置。
天線的英文名：Antenna（也有觸須、直覺之意）
再通俗點，天線就是一個“轉換器”——把傳輸線上傳播的導行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。
天線的作用
什麼叫導行波？
簡單來說，導行波就是一種電線上的電磁波。
天線是怎麼實現導行波和空間波之間轉換的呢？
看下圖：
中學物理我們學過，兩根平行導線，有交變電流時，就會形成電磁波輻射。
兩根導線很近時，輻射很微弱（導線電流方向相反，産生的感應電動勢幾乎抵消）。
兩根導線張開，輻射就會增強（導線電流方向相同，産生的感應電動勢方向相同）。
而當導線的長度增大到波長的1/4時，就能形成較為可觀的輻射效果！
有了電場和磁場，我們就有了電磁波。
而産生電磁場的這兩根導線，就叫做振子。
通常兩臂長度相同，所以叫對稱振子。
長度像下面這樣的，叫做半波對稱振子。
半波對稱振子
把導線兩頭連起來，就變成了半波對稱折合振子。
半波對稱折合振子
有點像刷牆的油漆刷子。
對稱振子是迄今最為經典，使用最為廣泛的天線。
理論還是有點枯燥啊，趕緊的，我們來結合一下實物。
真實世界中的振子，是個什麼樣？
Duang！就是這個樣子——
就是這麼個金屬片，半波對稱振子（非折合）
好吧，其實上面那個隻是振子的一個傳統形态，它還有N種變（身）态：
造型怪異的振子
懵逼了吧？如果說振子就是天線，那這哪裡是天線嘛？我們現實生活中看到的天線也不是這個鳥樣啊？
确切來說，振子不是一個完整的天線。振子是天線的核心部件，形态會随天線的形态變化而變化。
而天線的形态，實在是太TM多了，完全在挑戰着人類的想象力：
總有一款你中意的吧？
雖然天線的形态千奇百怪，但是根據相似度，也可以進行大緻歸類。
按波長分：中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線...
按性能分：高增益天線、中增益天線...
按指向分：全向天線、定向天線、扇區天線...
按用途分：基站天線、電視天線、雷達天線、電台天線...
按結構分：線天線、面天線...
按系統類型分：單元天線、天線陣...
……
如果按照外型來分，常見的幾種，如下圖：
鞭狀天線
抛物面天線
八木天線
PS：八木天線并不是八根木頭，之所以叫八木，是因為它是二十世紀20年代日本人八木秀次和宇田太郞發明的，叫“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”（可憐的宇田）。
我們通信汪最關心的，當然是——通信基站天線！
基站天線，是基站天饋系統的組成部分，也是移動通信系統的重要組成部分。
基站天線一般分為室内天線和室外天線。
室内天線通常包括全向吸頂天線和定向壁挂天線等。
我們重點說說室外的。
室外基站天線也分為全向的和定向的。定向天線再細分為定向單極化天線和定向雙極化天線。
什麼是極化？别急，我們待會再說。我們先說說全向和定向。
其實顧名思義，全向天線就是向四周發射和接收信号的，而定向天線，是向指定方向。
室外全向天線，是這樣的：
就是一根棒子，有粗的，也有細的。
它裡面的振子，是這樣的：
相比全向天線，現實工作生活中，定向天線使用最為廣泛。
它大部分時候看上去就是一個闆子，所以叫做闆狀天線。
闆狀天線，主要由以下部分組成：
之前我們看到那些奇怪形狀的振子，其實都是基站天線的振子。
大家注意到沒，這些振子的角度，有一定的規律：要麼是“＋”，要麼是“×”。
嗯，這就是前面我們提到的“極化”。
無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化的，這種現象稱為無線電波的極化。
如果電波的電場方向垂直于地面，我們稱它為垂直極化波。同理，平行于地面，就是水平極化波。另外，還有±45°的極化。
不僅如此，電場的方向還可以是螺旋旋轉的，叫橢圓極化波。
雙極化，就是2個天線振子在一個單元内，形成兩個獨立波。
采用雙極化天線，可以在小區覆蓋時減少天線的數量，降低天線架設的條件要求，進而減少投資，還能保證覆蓋效果。總之，就是好處多多啦。
密集恐懼症患者請閉上眼睛
我們繼續前面的全向和定向天線話題。
為什麼定向天線可以控制信号的輻射方向呢？
我們先來看個圖：
這種圖，叫做天線方向圖。
因為空間是三維立體的，所以這種從上往下的俯視，以及從前往後的正視，會更加清晰直觀地觀察到天線輻射強度的分布。
上圖也是一對半波對稱振子産生的天線方向圖，有點像個平放的輪胎。
話說，天線的諸多特性中，一個很重要的能力，就是輻射距離。
怎樣才能讓這個天線的輻射距離更遠呢？
答案就是——
拍它！
啪叽！
這下輻射距離不就遠了嘛，我可真是太機智了。
但問題來了，輻射這玩意，看不見抓不着，你想拍它，也拍不着啊。
在天線理論裡，如果你想拍這一巴掌，正确的做法是——增加振子。
振子越多，輪胎越扁。
好奇怪的造型
好了，輪胎被拍成了餅，信号距離是遠了，而且，它是向周圍360°發散的，是個全向天線。這種天線，放在荒郊野外，是極好的。但是，在城市裡，這種天線就很難玩得轉了。
城市裡，人群密集，建築林立，通常需要使用定向天線，對指定範圍進行信号覆蓋。
城區基本上都是定向天線
于是乎，我們就需要對全向天線進行“改造”。
首先，我們要想辦法把其中一側“擠一擠”：
怎麼擠呢？我們加上反射闆，擋在一側。然後，配合多個振子，進行“聚焦”。
最後，我們得到的輻射形狀，就是這樣的：
圖中，輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其餘的瓣稱為副瓣或旁瓣，屁股上還會有一點尾巴，叫後瓣。
呃，這個造型，是不是有點像茄子？
對于這個“茄子”，你可以再想一想，怎樣才能最大化利用它進行信号覆蓋呢？
抱着它站在馬路上，肯定是不行的，障礙物太多。
站得高，看得遠，我們肯定要往高處走啊。
到了高處，怎麼才能往下照呢？聰明的你，一定想到了，天線本體往下傾斜就OK啦~
是的，在安裝時，直接傾斜天線，是一個辦法，我們稱之為“機械下傾”。
現在的天線，安裝時都具備這個能力，一個機械臂，搞定。
但是，機械下傾存在着另一個問題——
采用機械下傾時，天線垂直分量和水平分量的幅值是不變的，所以天線方向圖嚴重變形 。
這肯定不行啊，影響了信号覆蓋。于是，我們采用了另外一種辦法，就是電調下傾，簡稱電下傾。
簡而言之，電下傾就是保持天線本體的物理角度不變，通過調整天線的振子相位，改變場強強度。
來個動圖，就看明白了：
相比于機械下傾，電下傾的天線方向圖變化不大，下傾度數更大，而且，前瓣和後瓣都朝下。
當然啦，在實際使用中，經常會機械下傾和電調下傾配合使用的。
下傾之後，就變成了這樣——
在這種情況下，天線的主要輻射範圍，得到了較充分的利用。
但是，還是有問題存在的：
1 主瓣和下旁瓣之間，有一個下部零深，會造成這個位置的信号盲區。通常，我們稱之為“燈下黑”。
2 上旁瓣的角度較高，影響距離較遠，很容易造成越區幹擾，也就是說，信号會影響到别的小區。
所以，我們必須努力填補“下部零深”的空缺，壓制“上旁瓣”的強度。
具體的辦法，就是調節旁瓣的電平，采用波束賦形等手段，裡面的技術細節就有點複雜了。大家感興趣的話，可以自行搜索相關資料。
這裡面的學問，真的很深，所以，無數的天線專家都在鑽研這方面的課題，不斷地研發、測試。
上圖為天線測試暗室
一款優秀的天線，離不開良好的工藝，可靠的材料，還有不斷的測試。
好啦，文章到這裡，終于就要結束啦！能看到這裡的，絕對都是真愛粉~
實際上，天線的知識還有很多，遠不止本文所述。限于篇幅，今天還是先到這裡吧。
總之，天線确實是一門精深的學問，遠比大家想象得複雜。而且，目前也處于高速發展的階段，還有很大的潛力可以挖掘。
尤其是即将到來的5G，天線技術革新是其中的重中之重，各大設備廠家一定會在5G天線上全力以赴，做足文章。
到時候會有什麼樣的天線黑科技出現？讓我們拭目以待吧！
注：本文“黑洞”照片來源于Event Horizon Telescope組織。（作者：小棗君）
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