|
天线大家都很熟悉，比如三大运营商的信号塔，比如路由器的天线，比如手机天线，再比如收音机的天线。 天线分为发射天线和接收天线，大部分的天线都是同时具有发射和接收功能的，比如手机天线和路由器天线等，而收音机的天线一般是只有接收功能。 下面来说一下发射天线。天线是怎么将信号发射出去的呢？ 天线将信号发射出去，是通过电磁波的形式。是不是类似于光源发光的形式，从天线这个点，然后直接均匀向外辐射电磁波呢？是不是离天线越近，信号就越强呢？ 这里先不讨论增加反射面的天线（比如雷达等）和多个天线的情况，先考虑单一发射天线的情况。 理论上来说光也是一种发射源，其发射出的光也算一种电磁波，信号的发射形式应该是和普通的天线是一样的，只是参数不一样。 也就是说天线的信号就是从天线这里直接均匀向外辐射的信号，像光源发光一样？不是的。 天线周围的信号场根据距离的不同，是不一样的。其实按照这个情况推测，光源的发光情况应该也是这样，估计是参数的原因导致界面距离非常靠近光源，因而我们看到的都是最外层的均匀分布的场。 上面还提到了一个问题：是不是离天线越近信号越强？其实也不是的，在一定距离之外是这样，离得越近信号越强。但是当近到一定距离之后，反而会出现无法接收到信号的情况。 为什么会这样呢？想理解这个情况，需要先了解一下天线周围的辐射场是如何分布的。 对于围绕着有限尺寸天线的场可以划分为三个主要的区域：感应近场区、辐射近场区(者菲涅耳（Fresnel）区)、辐射远场区(夫琅和费（Fraunhofer）区)，如下图所示： 三区的分界线可按如下公式取半径： 其中L是天线最大尺寸（单位m），λ是波长（单位m），R是各个区域的半径范围。 在每个区里面，电磁场是怎么分布的呢？ 在远场区，测量到的场分量处于以天线为中心的径向的横截面上，并且所有的功率流（更确切地说是能量流）都是沿径向向外的。在远场，场波瓣图的形状与到天线的距离无关。在近场区，电场有明显的纵向（或者径向）分量，而功率流则不是完全径向的。在近场，一般来说场波瓣图的形状取决于到天线的距离。 如果如上图所示用想象的球面边界包裹住天线，则在接近球面极点的区域可以视为反射器。另一方面，以垂直于偶极子方向扩散的波在赤道区域产生了穿透球面的功率泄漏，就好像这个区域是部分透明一样。 这导致了天线附近的能量往返振荡伴随赤道区域的向外能量流的情况。外流的功率决定了天线辐射出去的功率，而往返振荡的功率代表了无效功率——被限制在天线附近，就像一个谐振器。 下面简单说一下各个场区的特点。 感应近场区：又称为电抗近场区或无功近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域或者紧贴天线的周围。射频信号加载到天线后，紧邻天线除了辐射场之外，有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。从物理概念上讲，感应近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换，是一种感应场。 在感应近场区中，电磁场在时间上相位相差90°，在某一时刻电场最大时磁场最小，磁场最大时电场最小，为振荡电磁场，没有向外辐射的能量。 辐射近场区：超过电抗近场区就到了辐射近场区，辐射近场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。在辐射近场区中，开始有向外辐射的能量，但存在交叉极化电场分量，使得在平行于传播方向的平面内的合成电场为椭圆极化波。 辐射远场区：通常所说的远场区，又称为夫朗和费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区,可以理解为在该区域接收到的都是均匀平面波，在远场区域，场波瓣图的形状与到天线的距离无关。 在远场区中，适当坐标系下的辐射电磁场只有 Eθ 和 Hϕ 分量，在时间上二者同相，空间上它们互相正交并垂直于传播方向，形成线极化辐射波。 要进一步说明的是：辐射场中，能量是以电磁波形式向外传播，感应近场中射频能量以磁场、电场形式相互转换，并不向外传播。 其实，把天线周围的空间化分为三个区域的界限并不是严格的，这只是在理论上给出了各个区域的参考界限。场在这些分界线上并不是突变的，而是连续渐变的。 而且，区域的划分还有其它标准，这里介绍的是最流行的一种。 我们日常关注的信号强度，一般都是远场区的信号强度。 除了在计算给定天线的射频辐射危害的安全区和从近场测量导出远场天线功率方向图时考虑近场和菲涅耳区，大多数时候我们感兴趣的是在夫琅和费区。 再说一下一个延伸问题：天线越多信号越强么？ 我们平时在选购路由器时，路由器的天线数量也会是一个选购指标，那么路由器的多个天线是为了增加信号强度的么？ 其实不是这样的，天线数量和路由器信号表现并不是正比关系，天线数量对标的是传输速度，而且并不是每一根路由器天线都是用来提升传输速度的。 那么路由器的多个天线都是用来做什么的呢？ 日常生活中我们谈到路由器WiFi信号强弱，往往指的是网速快慢，其实这是由于信号随距离和遮挡物影响衰减，数据传输不流畅所导致的。 越贵的路由器往往天线越多，但多天线并不能很好地改善信号传输过程中受障碍物影响的衰减，它主要是为了提升WiFi的最大网络传输速率。 为什么增加天线数量能够提升传输速率呢？这就不得不谈到MIMO多输入多传输技术了。 起初，路由器单发单收的传输方式是主流，天线数量也仅有1-2根，手机和路由器之间通过WiFi传输数据，速度有限。 作为WiFi技术掌控者的WiFi联盟，很快就在新技术标准中提出了解决方案——MIMO技术，将传输内容进行分割，用多根天线同时在设备间传输数据。 相当于原来只是一条快车道，有了MIMO技术后变成了多条快车道，且支持双向多车驾驶，速度一下子就快了。 几乎每一代WiFi技术标准迭代，都会迎来理论最大传输速率提升，MIMO技术在这个过程中发挥了巨大的作用。 其实影响路由器信号强度的决定性因素还是路由器的发射功率，和天线数量关系不大。当然，天线数量确实能够明显改线上传下载速率，只是这不单单是天线信号强度的问题了。
| 
楼主
标题置顶
标题高亮
