今天的主題，是天線。
嗯，就是這個東東：
天線，是我們生活中很常見的一種通訊設備。但是，大部分人其實對它並不瞭解，可能只知道它是收發信號的。
廢話不多說，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125年的歷史（數了3遍，應該沒錯）。
波波夫和他的發明
在這漫長的歷史長河之中，它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。
天線究竟是一根什麼樣的“線”，爲什麼會如此徹底地改變我們的生活？
其實，天線之所以牛逼，就是因爲電磁波牛逼。
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“神祕力量”。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
想要充分利用這股“神祕力量”，你就需要天線。
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（也有觸鬚、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，產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，產生的感應電動勢方向相同）。
當導線的長度增大到波長的1/4時，就能形成較爲的輻射效果！
有了電場，就有了磁場，有了磁場，就有了電場，如此循環，就有了電磁場和電磁波。。。
電生磁，磁生電
再來個動圖，大家感受一下這個優美的過程：
導線電流方向的變化，產生了變化的電場
產生電場的這兩根直導線，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，就變成了半波對稱摺合振子。
半波對稱摺合振子
有點像刷牆的油漆刷子。
對稱振子是迄今最爲經典，使用最爲廣泛的天線。
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！就是這樣——
就是這麼個金屬片。。。半波對稱振子（非摺合）
好吧，其實上面這個只是振子的一個傳統形態，它還有N種變（身）態：
造型怪異的振子
懵逼了吧？如果說振子就是天線，那這哪裏是天線嘛？我們現實生活中看到的天線不是這個鳥樣啊？
確切地說，振子不是一個完整的天線。振子是天線的核心部件，形態會隨天線的形態變化而變化。
而天線的形態，實在是太TM多了。。。多了。。。了。。。
總而言之，成百上千。。。
雖然天線的形態千奇百怪，但是根據相似度，也可以進行大致歸類。
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、電臺天線…
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
拋物面天線
八木天線
PS：八木天線並不是八根木頭，雖然我數學不好，但是八我還是數得來的。之所以叫八木，是因爲它是二十世紀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。
基站天線一般分爲室內天線和室外天線。
室內天線通常包括全向吸頂天線和定向壁掛天線等。
我們重點說說室外的。
室外基站天線也分爲全向的和定向的。定向天線再細分爲定向單極化天線和定向雙極化天線。
什麼是極化？別急，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號的，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。
它裏面的振子，是這樣的：
相比全向天線，現實工作生活中，定向天線使用最爲廣泛。
它大部分時候看上去就是一個板子，所以叫板狀天線。
板狀天線，主要由以下部分組成：
- 輻射單元（振子）
- 反射板（底板）
- 功率分配網絡（饋電網絡）
- 封裝防護（天線罩）
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，這種現象稱爲無線電波的極化。
如果電波的電場方向垂直於地面，我們稱它爲垂直極化波。同理，平行於地面，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內，形成兩個獨立波。
採用雙極化天線，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。
密集恐懼症又犯了。。。
我們繼續前面全向和定向天線的話題。
爲什麼定向天線可以控制信號的輻射方向呢？
我們先來看個圖：
這種圖，叫做天線方向圖。
因爲空間是三維立體的，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佈。
上圖也是一對半波對稱振子產生的天線方向圖，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。。。
啪嘰！
這下輻射距離不就遠了嘛。。。
問題是，輻射這玩意，看不見抓不着，你想拍它，也拍不着啊。
在天線理論裏，如果你想拍這一巴掌，正確的做法是——增加振子。
振子越多，輪胎越扁。。。
好了，輪胎被拍成了餅，信號距離是遠了，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，在城市裏，這種天線就很難玩得轉了。
城市裏，人羣密集，建築林立，通常需要使用定向天線，對指定範圍進行信號覆蓋。
城區基本上都是定向天線
於是乎，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？我們加上反射板，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，是這樣的：
圖中，輻射強度最大的瓣稱爲主瓣，其餘的瓣稱爲副瓣或旁瓣，屁股上還會有一點尾巴，叫後瓣。
呃，這個造型，有點像。。。茄子？
對於這個“茄子”，你可以想一想，怎樣才能最大化利用它進行信號覆蓋呢？
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？聰明如我的你，一定想到了，很簡單啊，天線本體往下傾斜不就OK啦？
是的，在安裝時，直接傾斜天線，是一個辦法，我們稱之爲“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，機械下傾也存在一個問題——
採用機械下傾時，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，影響了信號覆蓋。於是，我們採用了另外一種辦法，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：
相比於機械下傾，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。
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號盲區。通常，我們稱之爲“燈下黑”。
2 上旁瓣的角度較高，影響距離較遠，很容易造成越區干擾，也就是說，信號會影響到別的小區。
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，採用波束賦形等手段，裏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。
這裏面的學問，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。
上圖爲天線測試暗室
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。
總之，天線確實是一門精深的學問，遠比大家想象得複雜。而且，目前也處於高速發展的階段，還有很大的潛力可以挖掘。