介绍

从事无线通信圈的人都会听过“天线馈源”这个词，但是对于天线馈源到底是什么却不是很清楚。

什么是天馈？是“天馈系统”的简称，是移动通信系统的一部分。天馈中的“天”是天线，英文名称为“”。天馈中的“”是馈线，“”是“给予”的意思。天馈系统是由天线+馈线+一些其他部件组成的系统。

天线系统在无线通信系统中是不可缺少的，为什么这么说呢？

我们知道我们现在的通信系统可以分为固定网络和移动网络，或者说得更专业一点，有线通信和无线通信。

有线通讯系统是利用电话线通过互联网将两个固定地点连接起来实现通讯，然而人们的需求是无限的，人们已经不满足于两地之间的固定通话，人们希望能够随时随地进行通讯。

在这里，有线通讯已经不能适应新的需求，人们不可能拉一条电话线就能随时随地打电话，成本太高，如果那样的话，整个空间就会布满蜘蛛网。

要实现随时随地的通讯，就需要一种更自由的通讯媒介。媒介是什么呢？就拿有线通讯来说，电话线就是通讯媒介。要想有更自由的媒介，就得找一个无处不在的东西，那就是空气。空气是不能通讯的，不过幸好有一种东西可以在空气中自由传播，后来研究证实就是电磁波，也叫无线电。这种无线电不但可以在空气中传播，还能穿墙、辐射、反射，它的神奇魔力非常广泛。无线电虽然很厉害，但也不是万能的，遇到导体，尤其是封闭的导体，很容易被屏蔽。不过，谁会一直呆在这么封闭的空间里呢，所以这个东西还是很厉害的。

无线电那么厉害，你脑子里有没有出现过这样一个问题：无线电是从哪里来的？答案就是天线。好吧，我上面说了这么多废话，就是说天线是用来发射无线电的，你真是太会胡说了。

好的，让我们从“天线馈源”即天线开始。

2. 天线

用天线来收发无线电？听起来很高级，其实我们首先想到的应该是收音机的金属部分，也就是天线。记性好的人大概都经历过拆装天线的过程。当我们接上金属天线的时候，收音机是可以发出声音的，如果天线掉下来，就只是雪花的声音了。偶尔用手摸到连接天线的口子，也会有声音，只是没有金属天线那么清晰。

这件事也说明，收发无线电其实没那么复杂，一根导体就可以，一块金属，甚至人体都可以用来收发无线电，区别就在于不同的导体收发的无线电强度不同。不信的话，看下面这个测量的例子，一支圆珠笔和一根手指英语作文，接收的信号波形如图1所示。

图1 不同导体接收的信号强度

从上面的测试我们可以看出，不同的导体接收到的信号强度是不一样的。所以我们的天线必须有一个宏伟的目标，那就是把更多的能量转换成无线电波，提高转换效率。

半波偶极天线

事实上，人们发现当导体的尺寸等于目标接收信号波长的一半时（L=λ/2），导体上感应的无线电刚好处于谐振状态（谐振），此时无线电的辐射效率最高。更专业的说法是，接收无线电的导体称为“偶极子”，导体的尺寸刚好是波长的一半，所以称为“半波偶极子”，也叫“偶极子”，如图2所示。半波偶极子效率高、成本低、加工简单，优点多多，所以半波偶极子已成为无线通信中基站天线的基本组成单元。

图2 由半波对称振子组成的经典天线

该频段无线电信号的波长为λ=u/v =3*10^8 / 9*10^8 =0.33m =33cm，因此该频段半波振子尺寸为λ/2=16.5cm；同理antenna是什么意思，该频段无线电信号的波长为λ=16.5cm，半波振子尺寸为8.3cm。基站天线的基本组成单元是半波振子。同一规格的天线所用半波振子的数量和排列方式相同，而不同频段的半波振子尺寸则有所不同。因此，同一规格的天线，频段越高，尺寸越小。频段尺寸约为频带尺寸的两倍，如图3所示。

图3 同规格单频天线尺寸

天线方向性

半波振子是天线性能的基础元件，那我们还追求什么呢？我们先追求方向性。什么是方向性？

方向性是指我们希望无线电信号往我们想要的方向发射，避免或者减少过多的能量浪费。比如说，如果天空中没有人，我们把无线电信号往天空中发射，岂不是太浪费了？为了避免浪费，我们需要把无线电信号往我们想要的方向收敛，这样在我们想要的方向上就能得到更强的信号，反之，在我们不想要的方向上，能量就会变弱。方向性，或者说收敛的程度，或者说信号加强的程度，怎么测量呢？人们引入了几个概念：“各向同性”，辐射方向图，天线增益，下倾角。

1）各向同性是指无线电信号在各个方向上的辐射都是相同的，辐射方向图是一个球面，如图4所示。各向同性只是一个概念，并不存在绝对各向同性的辐射源。

图 4 各向同性和半波振荡器的辐射模式

2）方向图就是把天线向各个方向辐射的信号强度画出来，如图5左图所示。空间是三维的，所以方向图也应该是三维的。但是，虽然三维方向图看上去生动美观，但并不精确，读图也不方便。因此，人们通常把三维方向图的水平和垂直截面画出来，就形成了水平和垂直方向图，如图5右图所示。

图5 立体辐射图和垂直平面辐射图

半波振荡器的三维辐射图与救生圈或甜甜圈非常相似（图 6 左）。垂直和水平平面辐射图分别如下图 6 的中间图和右图所示。

图6 半波振荡器的三维辐射图

天线辐射出的能量在各个方向上都是不同的，从最大辐射方向向两侧能量逐渐减小，两侧能量下降一半（即3dB）的点之间的夹角称为“半功率角”或“瓣宽度”，如图7所示。

图 7 半功率解决方案/瓣宽度

3）天线增益

半波振荡器在垂直平面的半功率角高达 70 度。这个波瓣宽度太大了。如果我们将这个水平面等分，只有水平面以下的部分才能到达目的地并得到有效利用，而水平线以上的部分则全部打向天空，浪费了大量的能效。这种情况类似于全向天线，如下图 8 所示。

图8 全向天线的信号模式

因此，通过挤压天线的垂直瓣宽度，改变波束，多个半波振子组成线性阵列，各振子辐射的能量相互叠加，能量越来越集中。为了衡量能量向特定方向汇聚所带来的目标点信号强度的增加，人们引入了一个概念，叫“天线增益”，它有两个单位，dBi和dBd。dBi是与各向同性球面波（i为）相比的增益，dBd是与半波振子（d为）相比的增益。天线的增益并不是把信号放大，而是把信号向某一方向汇聚。目标点的能量变大，其它点的能量变小，就像给灯泡加一个反光镜，让光向正面汇聚，正面亮，背面暗一样。

振子越多，能量越集中，辐射方向图越窄，天线增益越大，如图9所示。

图 9 1 至 4 个半波振荡器的增益变化

最终天线能量收敛如图10所示。能量最高的方向为“主瓣”，其他位置会有一些能量泄漏，称为“旁瓣”或“旁瓣”。两瓣之间有一个凹点，称为“零点填充”。现在新天线都会有“零点填充”，以减少塔下暗的情况。

图10：天线能量收敛图

4) 向下倾斜角度

虽然用多个半波振子组成线性阵列可以提高能量转换效率，但仍然没有很好的方向性。也就是说，到现在为止，天线仍然只是一个全向天线，其方向性仍然足够灵活，指向哪里都可以打到哪里。因此，有一种方法是将天线向下倾斜。

向下倾斜有两种类型：

一种是电子下倾。这种方法调整了信号到达各个振子的时间差，使得信号到上振子的路径变短，到下振子的路径变长。这样上振子就会提前发信号，下振子会晚发信号antenna是什么意思，整个天线发出的信号就会向下倾斜。如图11所示，这就是电子下倾的变化。

图 11 电子下倾角

另一种是机械下倾，如图12所示

图 12 机械下倾

通过一系列的天线改进，我们最终将大部分能量传输到目标区域，如图13所示，这就是我们想要的信号覆盖范围。

图13 最终天线覆盖效果图

这里的天线示意图是全向天线，现在的网络中都是采用定向天线，很少采用全向天线。

到目前为止，我们已经了解了天馈系统中天线的一些基站组成，以及一些基本概念。下一期，我们将讨论为什么现网大部分采用定向天线，以及一些天线指标。