天线到底在无线电系统里干什么

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手机信号格数掉下去，多半先怪运营商，很少有人想到机身里那几根金属片。楼顶的发射塔、路由器上的小棍、汽车尾部的短鞭，都是同一类东西：天线。

基站上常见的板状天线就是其中一种，如图所示。它做的事只有一件，把导线里的电信号变成能在空气里跑的电磁波，再把远处来的电磁波接回电路。所有无线电设备都绕不开这道关口。

收音机、电视机上的一般是接收天线，广播电视台用的是发射天线，手机天线收发共用，信号仍要经移动通信基站天线转收和转发。一切无线电设备，通信、广播、电视、雷达、导航，都靠无线电波工作。从几 MHz 的超长波到四十多 GHz 的毫米波段，发射和接收都得经过天线。

MHz、GHz 是频率单位，分别表示每秒百万次与十亿次振荡；频率越高波长越短，四十多 GHz 已落在毫米量级，所以叫毫米波。

频段跨度这么大，天线外形差别很大，接口却相同：一端是电路里的高频电流，或馈电传输线里的导行波；另一端是自由空间里的空间电磁波。

导行波是被传输线约束着前进的波，能量不往外散；空间电磁波已脱离导体，靠电场与磁场相互支撑向外传播。极化指电场矢量振动的方向和方式，简单说就是波横着抖、竖着抖，还是打着旋前进。

发射时，天线把前者变成后者，按规定的极化、朝规定的方向送出去；接收时反过来。波落到接收天线上、再变回电路里的电流，就是下图示意的情形。方向和极化都要一起转换到位，后面几件事一件也省不掉。

最基础的是能量转换。发射时，高频电流或导行波的能量要尽可能多地变成空间电磁波能量辐射出去；接收时，把收到的电磁波能量最大限度送进接收机。

一副好天线就是一个好的能量转换器。前提是天线与发射机信号源、或与接收机负载尽可能好地匹配。匹配指两边阻抗对得上，能量才过得去；对不上，一部分会被反射回来。调振子长度、加匹配网络，磨的常常就是这件事：不是天线不会辐射，是能量没交到它手上。把信号源、天线和接口画成等效电路，匹配与否看得更清楚，如图所示。

能量变成波，还要管住它往哪儿走。定向辐射或接收，指发射时把能量集中到指定方向、其它方向很弱，接收时只认指定方向来的波。雷达要搜索和跟踪目标，天线没有尖锐的方向性，就无从辨别和测定目标位置。

方向性弱的代价也很直接：发射能量只有一小部分到达指定方向，其余浪费在不需要的方向；接收时把其它方向的干扰和噪声一并收进来，有用信号可能被完全淹没。

方向性因此同时决定传得多远、抗不抗干扰，好天线要的是任务所需的那种方向性，不是越强越好。距离一远更明显，接收卫星电视必须用定向性好、增益很高的天线，如旋转抛物面天线、卡塞格仑天线、阵列天线。抛物面把能量聚成窄波束，卡塞格仑多一个副反射面把馈源折到后方，阵列靠多个单元按间距和馈电相位叠加出方向性。

增益可以理解为把摊向四面八方的能量往一个方向攒起来，不是凭空放大功率。把辐射强弱随方向的变化画出来就是方向图，如图所示，能量并没有均匀铺开，而是收成明显的波束。

同一副天线的方向图也能画在极坐标上，波束朝哪儿、收得有多窄，一眼就分得清，如图所示。工程上看方向图，先找主瓣，再看旁瓣和后瓣落在哪儿，形状比数值更早给出判断。

方向之外还有极化。天线发射或接收的应是规定极化的电磁波，两端对不上就会打折。垂直极化天线收不到水平极化来波，左旋圆极化天线收不到右旋圆极化来波；圆极化指电场矢量边传播边旋转，左右旋说的是旋转方向，圆极化天线面对线极化来波会损失一半能量。把电场矢量的取向随时间画出来，就是下图示意的极化轨迹。

工程里更常遇到线极化，垂直、水平和两个斜向摆法，对应天线在塔上的不同装法，如图所示。架天线时方向要准，极化也要跟对端约定好。忽略极化，方向图再漂亮，链路上也会少一块能量。

频带宽度同样不能漏。任何天线都有一定的工作频带，超出范围，工作就失效。天线尺寸和电流分布与工作波长绑在一起，频率走远，调准的状态就不成立，方向图、匹配、增益都会走样。匹配随频率怎么变，测一条曲线就能看到，如图所示。谈天线好坏，必须带上在哪个频段；宽带、多频段天线难做，难就难在这里。

这几件事说的是同一个问题：能量要送得进去，方向要收得拢，极化要对得上，频带要盖得住，彼此还互相牵制。说到底，是让有限的能量用在最该用的地方和方式上。

还有一条实用性质，收和发是互易的。根据电磁学的互易原理，只要天线和馈电网络里不含非线性器件，如铁氧体器件，同一副天线作发射和接收时基本特性不变。

非线性器件指输出与输入不成简单比例关系的器件，加了它，正反方向就不能当成一回事。常规天线里，分析接收特性可以直接沿用分析发射的方法；方向图、增益按发射状态测一次、算一次，接收状态也就交代了。

测试间只把天线当发射来测，依据就在这里。如图所示，待测天线架在铺满吸波材料的暗室里，测到的就是它自身的方向图。

再回到信号格数。它背后是一整条链路：发射机把能量交给天线，天线定好方向、极化和频带把波送出去，另一端按同样的约定接回电路，中间常要经基站天线转收和转发。塔上装好的天线和馈线，就是这条链路里看得见的一环。哪一环没对上，能量就到不了，或到了也被噪声盖住。

天线像一道对尺寸、形状、材料都要求精确的接口，把导线里的世界和自由空间接在一起。后面要讲的方向图、增益、阻抗、有效面积，量的都是这道接口的不同侧面。

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