IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲

【来源申明】本文内容引用了微信公众号“无线深海”的《通俗易懂！看完你就是半个天线专家了》、 “鲜枣课堂”的《关于天线，有史以来最强的科普文》两篇文章内容。为了更好的内容呈现，即时通讯网在引用和收录时内容有改动，转载时请注明原文来源信息，尊重原作者的劳动。

1、系列文章引言

1.1适合谁来阅读？

本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容，力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议，至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看，会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课，那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读，因为针对移动弱网的问题，确实可以找到很多有价值的答案。

友情提示：本系列文章可能涉及以下通信技术范畴，如您有兴趣，也可自行系统地学习：

1.2本系列文章的初衷

作为即时通讯（IM、消息推送等应用场景）相关技术的开发者人员来说，似乎了解跨专业的通信技术（这是大学通信工程专业类学生的学习内容），有点过于深入和底层了，因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错，确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时，尤其在移动网络下，各种弱网问题，让人非常痛苦。

典型的弱网问题，比如：

• 1）频繁掉线；
• 2）丢包严重；
• 3）网络抖动；
• 4）网络延迟；
• ........
  

那么，针对以上现象，怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题？

• 1）导致这些现象的根本原因到底是什么？
• 2）怎么跟老板解释，要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难？
• 3）怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题？
• 4）怎么向客户说明，商场或人多场合下，明明信号很好，但你的APP确用不了？
• .......
  

你说这些都是网络问题，APP代码无能为力。那么，你倒是讲讲到底是什么样的网络问题？能把人讲信服了，就可以甩锅给网络，不然只能是APP代码背锅了。现实吧！

所以，我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧（通信技术直面的是网络通信物理层），至少遇到问题，不说给别人，至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养！

1.3本系列文章的价值

网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业，要么都是搞网络工程方面的内行人编写的（内容专业但很枯燥难懂），要么就是外行的IT开发人员写的（很少见，且价值不大，因为不够专业，所以内容并不准确，参考价值很有限）。

既能让外行的普通程序员看懂，还能准确地讲明白通信技术知识，这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层（比如：tcpip、socket等知识范畴），而通信技术涉及的是数据通信的物理层（交换机、路由器、天线、网络制式等），某种意义上来说，这是完全不同的技术方向。

好消息是，经过长时间的资料搜集，终于有了本系列文章，希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读

即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章，但都因技术广度和深度有限，能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章，那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章。

另外，如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话，建议首先阅读《网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》，以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外：通信技术女神镇楼

▲ 史上最高颜值科学杂志封面，人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛（一个被演艺事业耽误的科学女神）

2、本系列文章目录

《IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(二)：通信交换技术的百年发展史(下)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(三)：国人通信方式的百年变迁》
《IM开发者的零基础通信技术入门(四)：手机的演进，史上最全移动终端发展史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(五)：1G到5G，30年移动通信技术演进史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术》
《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》（* 本文）
《IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十一)：为什么WiFi信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十二)：上网卡顿？网络掉线？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十三)：手机信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十四)：高铁上无线上网有多难？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十五)：理解定位技术，一篇就够》

3、本文内容概述

为了系列文章内容的连贯性，本文的另一个标题是《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：移动终端的手和脚——“天线”技术》。

天线，是我们生活中很常见的一种通讯设备。但是，包括程序员在内的大部分非通信专业的人，其实对它并不了解。对于移动端网络通信来说，天线是用于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，无线通信也是通过类似于昆虫“触须”的天线来传递信息的，只不过传递的是承载着有用信息的电磁波（有关电磁波的扫盲文章请看：《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》）。

下图就是手机和基站之间相互通信的一个示例：


那么实际生活中，无线通信中的天线都长什么样？有哪些用途？更重要的是，天线的技术原理是怎样的？本文将通过大量的图片，为你讲述这些内容。本文力求通俗易懂，面向零基础读者，希望继续给即时通讯网的开发者带来更多通信技术方面的收获。

4、天线是生活中的常见设备

话说，自从1894年老毛子科学家波波夫成功发明了天线之后，这玩意迄今已有124年的历史（数了3遍，应该没错）。


▲ 波波夫和他的发明

在这漫长的历史长河之中，它对人类社会发展和进步做出了卓绝的贡献。


▲ 二战中屡立奇功的英国雷达天线

如今，不管是老百姓日常工作生活，还是科学家进行科研探索，都离不开天线君的默默奉献。



天线究竟是一根什么样的“线”，为什么会如此彻底地改变我们的生活？

5、先来了解一下“电磁波”

其实，天线之所以牛逼，就是因为电磁波牛逼。电磁波之所以牛逼，一个主要原因就是，它是唯一能够不依赖任何介质进行传播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能来去自如，而且转瞬即至。本系列文章中的第7篇，有详细讲解电磁波，可以仔细读一读：《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》）


▲ 电磁波效果图


▲ 电磁波传播示意图

想要充分利用这股“神秘力量”，你就需要天线。

6、天线的技术原理

在无线电设备中，天线就是用来辐射和接收无线电波的装置。

天线的英文名：Antenna（也有触须、直觉之意）。

再通俗点，天线就是一个“转换器”——把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。




▲ 天线的作用

什么叫导行波？简单来说，导行波就是一种电线上的电磁波。

天线是怎么实现导行波和空间波之间转换的呢？

看下图：


中学物理学过，两根平行导线，有交变电流时，就会形成电磁波辐射：

• 1）两根导线很近时，辐射很微弱（导线电流方向相反，产生的感应电动势几乎抵消）；
• 2）两根导线张开，辐射就会增强（导线电流方向相同，产生的感应电动势方向相同）。
  

当导线的长度增大到波长的1/4时，就能形成最佳辐射效果：


有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，如此循环，就有了电磁场和电磁波。。。


▲ 电生磁，磁生电

再来个动图，大家感受一下这个优美的过程：

7、天线中的“振子”

导线电流方向的变化，产生了变化的电场产生电场的这两根直导线，就叫做振子。通常两臂长度相同，所以叫对称振子。

长度像下面这样的，叫半波对称振子：

▲ 半波对称振子

把导线两头连起来，就变成了半波对称折合振子：

▲ 半波对称折合振子

有点像刷墙的油漆刷子：


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

8、天线的种类

懵逼了吧？如果说，上世提到的振子就是天线，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：

• 1）按波长分：中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线...
• 2）按性能分：高增益天线、中增益天线...按指向分：全向天线、定向天线、扇区天线...
• 3）按用途分：基站天线、电视天线、雷达天线、电台天线...
• 4）按结构分：线天线、面天线...
• 5）按系统类型分：单元天线、天线阵...……
  

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


▲ 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）。

对于即时通讯网的IM程序员来说，我们最应该关心的，当然是能实现我们手机端无线通信的通信基站天线了！


▲ 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：

• 1）室内天线；
• 2）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：


我们重点说说室外的。

室外基站天线也分为全向的和定向的。定向天线再细分为定向单极化天线和定向双极化天线。

什么是极化？别急，我们待会再说。我们先说说全向和定向。其实顾名思义，全向天线就是向四周发射和接收信号的，而定向天线，是向指定方向。

室外全向天线，是这样的：


就是一根棒子，有粗的，也有细的。

它里面的振子，是这样的：


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：

• 1）辐射单元（振子）；
• 2）反射板（底板）；
• 3）功率分配网络（馈电网络）；
• 4）封装防护（天线罩）。
  

之前我们看到那些奇怪形状的振子，其实都是基站天线的振子。

9、电磁波的“极化”现象

大家注意到没，上上一节中振子的角度，有一定的规律——要么是“＋”，要么是“×”：


嗯，这就是前面我们提到的“极化”。

无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。



如果电波的电场方向垂直于地面，我们称它为垂直极化波。同理，平行于地面，就是水平极化波。另外，还有±45°的极化。



不仅如此，电场的方向还可以是螺旋旋转的，叫椭圆极化波。



双极化，就是2个天线振子在一个单元内，形成两个独立波。



采用双极化天线，可以在小区覆盖时减少天线的数量，降低天线架设的条件要求，进而减少投资，还能保证覆盖效果。总之，就是好处多多。


▲ 密集恐惧症又犯了

10、天线是如何控制信号的辐射方向的？

我们继续前面全向和定向天线的话题。为什么定向天线可以控制信号的辐射方向呢？

我们先来看个图：


这种图，叫做天线方向图。

因为空间是三维立体的，所以这种从上往下的俯视，以及从前往后的正视，会更加清晰直观地观察到天线辐射强度的分布。上图也是一对半波对称振子产生的天线方向图，有点像个平放的轮胎。

话说，天线的诸多特性中，一个很重要的能力，就是辐射距离。怎样才能让这个天线的辐射距离更远呢？

答案就是——拍它：


啪叽！



这下辐射距离不就远了嘛。。。问题是，辐射这玩意，看不见抓不着，你想拍它，也拍不着啊。

在天线理论里，如果你想拍这一巴掌，正确的做法是——增加振子。

振子越多，“轮胎”越扁：


好了，轮胎被拍成了饼，信号距离是远了，而且，它是向周围360°发散的，是个全向天线。这种天线，放在荒郊野外，是极好的。但是，在城市里，这种天线就很难玩得转了。

城市里，人群密集，建筑林立，通常需要使用定向天线，对指定范围进行信号覆盖。



城区基本上都是定向天线于是乎，我们就需要对全向天线进行“改造”。

首先，我们要想办法把其中一侧“挤一挤”：


怎么挤呢？

我们加上反射板，挡在一侧。然后，配合多个振子，进行“聚焦”：


最后，我们得到的辐射形状，是这样的：


图中，辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，屁股上还会有一点尾巴，叫后瓣。

呃，这个造型，有点像。。。茄子？


对于这个“茄子”，你可以想一想，怎样才能最大化利用它进行信号覆盖呢？

抱着它站在马路上，肯定是不行的，障碍物太多：


站得高，看得远，我们肯定要往高处走啊：


到了高处，怎么才能往下照呢？聪明如我和你，一定想到了，很简单啊，天线本体往下倾斜不就OK啦？

是的，在安装时，直接倾斜天线，是一个办法，我们称之为“机械下倾”：


现在的天线，安装时都具备这个能力，一个机械臂，搞定：


但是，机械下倾也存在一个问题——采用机械下倾时，天线垂直分量和水平分量的幅值是不变的，所以天线方向图严重变形 。



这肯定不行啊，影响了信号覆盖。

于是，我们采用了另外一种办法，就是电调下倾，简称电下倾。简而言之，电下倾就是保持天线本体的物理角度不变，通过调整天线的振子相位，改变场强强度。



来个动图，就看明白了：


相比于机械下倾，电下倾的天线方向图变化不大，下倾度数更大，而且，前瓣和后瓣都朝下。



当然啦，在实际使用中，经常会机械下倾和电调下倾配合使用。

下倾之后，就变成了这样：


在这种情况下，天线的主要辐射范围，得到了较充分的利用。

但是，还是有问题存在的：

• 1）主瓣和下旁瓣之间，有一个下部零深，会造成这个位置的信号盲区。通常，我们称之为“灯下黑”；
• 2）上旁瓣的角度较高，影响距离较远，很容易造成越区干扰，也就是说，信号会影响到别的小区。
  

所以，我们必须努力填补“下部零深”的空缺，压制“上旁瓣”的强度。

具体的办法，就是调节旁瓣的电平，采用波束赋形等手段，里面的技术细节就有点复杂了。大家感兴趣的话，可以自行搜索相关资料。

这里面的学问，真的很深，所以，无数的天线专家都在钻研这方面的课题，不断地研发、测试。


▲ 上图为天线测试暗室

一款优秀的天线，离不开良好的工艺，可靠的材料，还有不断的测试。

11、最后

好啦，文章写到这里，就该结束啦！

天线的原理看似简单，但对性能精益求精的追求却没有止境。实际上，天线的知识还有很多，远不止本文所述。限于篇幅，今天还是先到这里吧。

总之，天线确实是一门精深的学问，远比大家想象得复杂。而且，目前也处于高速发展的阶段，还有很大的潜力可以挖掘。尤其是即将到来的5G，天线技术革新是其中的重中之重，各大设备厂家一定会在5G天线上全力以赴，做足文章。到时候会有什么样的天线黑科技出现？让我们拭目以待吧！


▲ 5G天线（大规模天线阵列）

附录：更多网络编程干货文章

《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）[附件下载]》
《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
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《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
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《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
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《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
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《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
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即时通讯网的技术文章，现在的研究深度已到电磁波、天线、基站这一层了，各位坛友记得要跟上节奏。。。。

PS：会不会有人在骂：“就一个破聊天技术，还整到电磁波”。。。

我学过电磁学，可以！很形象到位！

引用：jingyue520 发表于 2019-03-07 17:03
我学过电磁学，可以！很形象到位！

你是什么专业毕业的？

我也学过电磁波，我是通讯与信息系统专业，没想到却当了程序猿，造化弄人~

引用：登至必极 发表于 2019-06-12 12:31
我也学过电磁波，我是通讯与信息系统专业，没想到却当了程序猿，造化弄人~

都来抢程序员饭碗。。。

技多不压身，666

666666

镇楼的宝

楼主给大部分文章做的分类真的很棒