天线原理背后“折射出”天线工程师工作努力的方向

导读：当我接到“科普天线原理”这个任务时，我是深感为难的。感觉难办，不是因为凑不成一篇长文；而是担心小文弄成以后却没有读者。通常，没有一点电磁场理论、微波技术基础的前提下，要弄懂天线原理基本上是不太可能的。

大约在18年前，我在公司曾经参加过一次由天线老专家主讲的天线讲座。老专家按照通常的顺序，从麦克斯韦方程组讲起。结果很多不是天线专业的同事感觉参加那个培训就象听天书，开场不到5分钟，离场的人就有了一多半。

我想，如果采用经典的方法来求解辐射问题中的麦克斯韦方程组，天线专业的同行都已经很熟悉了，任何一本天线原理的教材上都有完整且详细的方法和步骤，那么任何一位天线同行都不会浪费时间来看我这篇拙文；对于不是天线专业的人员，看到我从麦克斯韦方程组到波动方程，却会感到云里雾里，从而无法继续阅读。所以，要想这篇短文对天线工作者或者非天线工作者都能有所裨益，非另辟蹊径不可。

综上，本文尽量以显而易见的事实或经验为基础，来介绍天线的基本工作原理及无线通信和天线相关的基础。不足之处，还请各位读者批评指正，以便让更多的人从大家共同的劳动成果中受益！

一、有线通信

图1 有线通信模型

上图是典型的有线通信模型。信源将要传递的信息，通过传输线，传递给信宿。

其中的传输线，可能是各式各样的，比如同轴电缆、光缆等。为简单起见，这里假设传输线是平行双线（两条相互平行的金属导线）。

信源，就是要传递信息的设备或装置，比如有线电视台；信宿，就是要接收信息的设备或装置，比如电视机。

二、意外情况

假设某一天发生了意外，传输线在某处断开了，上述通信还能正常进行吗？

图2 传输线断开

如上图所示，假如双线传输线在某处意外断开了，通信还能正常进行吗？

答案是：有可能！

三、意外发生时，正常通信的条件

图3 断开处的等效间隙电容

断开处会形成间隙电容。

当满足以下条件：

A.间隙电容的阻抗足够小（间隙电容足够大或工作频率足够高）；

B.信源输出的信号强度足够大。

则依旧能够维持正常通信。

比如：当间隙电容的阻抗为0时，则等效于传输线没有断开的情况；

又比如，当间隙电容的阻抗不是无穷大时，理论上总能通过提高信源的输出强度（信号功率），来保证信宿接收到满足正常通信所需的电平。

四、减小间隙电容的阻抗，以提高传输效率

如前所述，减小间隙电容的阻抗，通常有两种办法：

A.加大间隙电容的电容值；

B.提高工作频率。

另外，平行双线作为传输线的一种，还有一种非常重要的性质：长度为四分之一个工作波长的终端开路的平行双线，其输入阻抗为0。

图4 传输线阻抗的特殊性之一

也就是说，当间隙电容器形成的平行双线满足上述条件时，等效于传输线没有断开！

五、传输线意外断开的补救措施

补救措施主要就两种：

A、将断开处重新连接上；

B、将断开处加工（处理）成等效的四分之一工作波长的传输线（最简单的就是平行双线）。

以上两种方法（在工作频率上）是等效的。

图5 当断开处形成1/4工作波长平行双线时，传输效率最佳

六、从信源到信宿的平行双线，其中的每一根线都在同一位置断开时

从前述原因可知，两个断开处的间隙，都等效为1/4工作波长传输线时，传输效率最佳（等效为没有断开）：

图6 和从信源到信宿的传输线没有断开时等效

七、信源的发信装置和信宿的收信装置

信源是如何提供信息的呢？

很显然是通过下面的装置：

图7A 信源的发信装置（设备）

其中的箭头，表示电流同一时刻电流可能的流动方向。

同样，信宿是通过下面的装置接收信息的：

图7B 信宿的收信装置

由此可见，抛开信宿和信源本身的差异，二者实际上是使用相同（相似）的装置进行收信和发信的。

八、天馈系统、天线和馈电网络

发信装置除去信源的部分，称为天馈系统（发射天馈系统）；收信装置除去信宿的部分，也称为天馈系统（接收天馈系统）。

图8A 天馈系统

天馈系统又分为天线和馈电网络：

图8B 天线和馈电网络

其中，天线可以由金属导体组成；馈电网络最简单的形式就是馈线，比如同轴线、平行双线、软波导等。馈电网络，将天线和信源（或信宿）电气连接起来。

如图所示的天线，通常称为对称振子、也叫偶极子天线；是由完全对称的两臂构成，通常称为对称振子的上臂和下臂（或者左臂和右臂，依天线的架设姿态的不同而有不同的叫法）。

图8C 偶极子天线的两臂和馈点

馈点，就是馈线和天线连接的地方。

和信源连接的天线，称为发射天线；和信宿连接的天线称为接收天线。有的装置（设备）既是信源、也是信宿，比如手机，此时的天线既有发射功能、也有接收功能。

九、距离的影响及无线通信的代价

通过天线（或天馈系统）连接信源和信宿的系统，就是无线通信系统。

收发天线距离很近时，采用天线的无线通信，几乎和有线通信没啥区别。

图9A 收发天线距离较近时

增加收发天线之间的距离时，通过两副天线之间的空隙泄露到自由空间（大气）中的能量也会增加。

图9B 收发天线距离较远时

随着收发天线距离的增加，信宿接收到的信号强度也会越来越小；同时信源也不可避免地会接收到其它信源（或干扰源）的信号，也就是收到了干扰。

为了保证通信质量，信宿接收到的有用信号电平和干扰电平的比值，必须满足一定的要求。也就是说，当收发天线距离增加时，必须要增加信源的发射功率才行。

有线电视台通过闭路电缆输出的信号，通常会比无线电视台发射的信号小很多。

天线的辐射（接收）特性和手电筒的照射特性类似，总是有的方向辐射强、有的方向辐射弱。实际天线的架设、布局、网络规划时，都会用到这一特性。

十、无线通信的好处

无线通信相对于有线通信的直接好处大概有：

1.用天馈系统替代了电缆直联，很多时候减少了铺设电缆的成本，降低了跨越高山、大海等特殊地形地貌通信的困难（比如基站和基站控制器之间的微波传输）；

2.由于信源、信宿不再直联，实现了一方或双方的自由移动，为出行提供了方便（比如手机）；

3.简化了一对多、多对多通信的实体网络的复杂程度。

广播、电视、移动通信（手机、集群系统）等的长足发展，证明了移动通信的优势所在。

十一、天线工作的努力方向

从前面的陈述中，大家不难看出天线工作的重点：

1、信源以较小的功率发射，就能满足通信要求。这就要求发射天线将尽可能多的能量朝接收天线所在方向辐射；同时，接收天线在发射天线所在方向的接收能力强，在其它方向接收能力尽可能弱，以便提升接收到的有用信号、降低接收到的干扰。

2、天线往往需要能够宽频带工作，而不仅仅是在某一固定工作频率获得良好的特性。

3、为了获得移动的便捷性，天线往往还有小型化的需求。

十二、新型天线设计仿真实战培训

本文以一个浅显的案例，用非专业爱好者能理解的方式，较完整地陈述了天线工作的原理、无线网络规划需要关注的重点，以及在此基础上以无线通信替代有线通信需要重点关注的问题及努力方向。

希望其中展开陈述的问题、读者自己由此想到的其它相关问题，能对读者理解天线、或设计出优秀的天线，都能有所帮助！

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