有一天朋友給了個古董級收音機，仔細一看還是進口的。拆開發現裡面裝的是鐵氧體磁芯環天線，中間是一個磁鐵，通過線圈纏繞的方式形成很多圈用以產生磁場。它的優點是可以在很低的頻率做出很小尺寸的天線。
突然聯想到現在的5G多陣列天線，不得不感慨科技的進步帶給人們實際生活中的改變。人類之間的通信最早是用聲音，通過講話來實現。當有了距離的產生後便有了擊鼓傳音、飛鴿傳書、烽火狼煙等方式。這些傳遞信息的方式效率極低，而且受到地理環境、氣象條件的極大限制。直到1844年，美國人莫爾斯發明了莫爾斯電碼，並在電報機上傳遞了第一條電報，開創了人類使用「電」來傳遞信息的先河。1864年麥克斯韋集有關電與磁的知識與一體，從數學的角度出發，以一定的理論基礎證明了電磁波的存在，並預言光也是一種電磁能，這就是現在著名的Maxwell方程組。1876年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在，並研究了電磁波沿天線和傳輸線傳播的物理現象。從此世界進入了無線電通信的新時代。
從老式收音機的這種磁芯環天線到現在的5G多波束陣列天線，天線也隨著移動通信的發展而不段的更新換代。
大家有沒有發現，以前大哥大都有很長的天線，早期的手機也有突出來的小天線，為什麼現在我們的手機都沒有天線了？
其實，我們並不是不需要天線，而是我們的天線變小了。根據天線特性，天線長度應與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。
未來手機的通信頻率越來越高，波長越來越短，天線也就跟著變短， 毫米波通信，天線也變成毫米級，而且是天線陣列Ｍassive MIMO（多天線技術）
因為天線特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上。如果距離近了，就會互相干擾，影響信號的收發。
什麼是天線
說了這麼多，天線到底是個什麼東西？
天線是一臺裝置，它為輻射和接收無線電波提供了手段。它提供了從傳輸線上的導波到自由空間波的轉換，當然在作為接收時功能相反。所以說大多數天線是互易器件，即可用於發射，也有接收用的天線。天線的種類有很多，不管哪種天線都需有方向性，即電磁功率密度從天線輻射出去，某些天線的輻射方向與角度有關。電磁頻譜是人類最巨大的自然資源發現之一，而天線正是利用了這一資源的器件。
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？
中學物理我們學過，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）。
電磁能可以通過傳輸線傳輸，比如導線。但如果使用天線的話，就不需要傳導結構，因為是通過自由空間波在傳輸。一般而言，在低頻和短距離時用傳輸線是比較好的，但是由於其頻率低帶寬窄，所以高頻譜對於大容量通信更有優勢。同時距離加長，頻率升高時如果使用傳輸線成本也會變大且路徑衰減也更大，因此人們更願意使用天線。
天線分類
天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等多種情況下使用。
按用途分類：可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；
按工作頻段分類：可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；
按方向性分類：可分為全向天線、定向天線等；
按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；
按極化方式分類：垂直極化、水平極化、交叉極化等
天線的基本工作原理
當線上有交變電流流動時，就會發生電磁波的輻射，對於傳輸線，因為兩根導線間距很近、電流幅度相等、相位相反，所以產生的電場被束縛在兩導線之間（遠區場相互抵 消）不會輻射電磁能量，但如果將兩根導線張開，因為導線上的電流方向相同，所以產 生的電磁場會疊加，從而輻射出電磁能量。輻射電磁波的能力和導線長度直接相關，當單根導線長度為 1/4波長奇數倍時，會在導線上產生駐波，此時輻射出的電磁能量最大。
（當導線的長度L遠小于波長λ時，輻射很微弱；導線的長度L增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。）
天線振子
通常兩臂長度相同，所以叫對稱振子。
長度像下面這樣的，叫做半波對稱振子
把導線兩頭連起來，就變成了半波對稱折合振子。
對稱振子是一種經典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可採用多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子，如下圖。
另外還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，並把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子, 如下圖。
電視接收天線或是FM天線中用到的八木天線絕大多數就是半波折合振子，折合振子是用來提高輸入阻抗的，理論上增益和半波振子是相同的。半波折合振子的阻抗固定是300歐，特別用它來匹配75歐的輸出特別容易。
振子（或者叫輻射單元）的排列是有序的，這跟天線的極化及輻射方式有關。
為什麼定向天線可以控制信號的輻射方向呢？也就是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：增加振子，振子越多，輪胎越扁。所以這個例子告訴我們，八木天線前端的引向器越多，指向性越好。
天線的基本性能參數
工作頻率和帶寬
輸入阻抗
電壓駐波比、回波損耗
方向圖
方向性係數，效率，增益，
極化方式
隔離度
工作頻率和帶寬
工作頻率是天線最最基本的參數；無論是接收還是發射天線，都是工作在一定的頻率範圍內的，天線的帶寬就是指天線有效工作的頻率範圍。無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一定頻率範圍內工作的，通常工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所傳輸的功率都將減小。
天線的輸入阻抗
天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量儘量為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。阻抗概念對中、低頻天線特別有用。因為中、低頻天線中易於確定一對輸入點，阻抗是單值的且測試簡單。阻抗概念雖然在高頻上仍有效，但直接確定和測量阻抗值卻比較困難。比如在微波波段，天線大多與波導相連，波導阻抗具有多值性， 因此直接測量天線阻抗幾乎不可能，而採用測量駐波係數或是反射係數的辦法來計算天線的輸入阻抗。
回波損耗和駐波比
反射係數：定義為輸入電壓和反射電壓的比值，ρ=Vr/Vt=sqrt(Pr/Pt)，ρ=|S11|
波的反射係數是傳輸線工作的基本物理現象。電壓反射係數和電流反射係數的模相等，相位相反。電壓反射係數定義為距離終端Z處的電壓反射波與電壓入射波之比。反射波和入射波幅度之比叫作反射係數。
反射係數=反射波幅度/入射波幅度
回波損耗（Return Loss）：定義為傳輸線上某點的入射功率和反射功率比較，用dB表示，RL=10lg(Pt/Pr)
RL=-20lg(ρ)=-20lg (|S11|)
回波損耗的取值範圍是0~∞。0dB為全反射（開路/短路），∞為無反射（匹配）
電壓駐波比（VSWR）：也簡稱為駐波比（SWR），天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等於饋線特性阻抗時，天線就不能全部將饋線上傳輸的高頻能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波，入射波和反射波合成，形成了駐波。
駐波波幅電壓與波節電壓之比稱為電壓駐波比。
駐波係數S=駐波波腹電壓幅度最大什/駐波波節電壓幅度最小值。
• SWR=(1+ ρ)/(1- ρ)
• 其值在1到無窮大之間。駐波比為1時表示完全匹配，駐波比為無窮大表示全反射即完全失配。電壓駐波比的變化範圍是1到正∞ 。
S11、反射係數、電壓駐波比、回波損耗之間的關係
ρ=|S11|
RL=-20lg(ρ)=-20lg (|S11|)
SWR=(1+ ρ)/(1- ρ)
ρ =(SWR +1)/(SWR -1)
天線的方向性D
天線方向圖是表徵天線輻射特性（場強振幅、相位、極化）與空間角度關係的圖形，用來表徵天線向一定方向輻射電磁波的能力。對於接收天線而言，是表示天線對不同方向傳來的電波具有接收的能力。方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發射或接收電磁波的能力。
電磁波在空氣中傳播的方向是不同的。天線在某些方向上傳輸很強的能量，在某些方向上傳輸少量的能量，在某些方向上傳輸中等範圍的能量等，這種能量傳輸方式被稱為「輻射方向圖」。不同天線的方向圖不一樣。
全向天線：在方向圖上表現為360°均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，各方向均勻輻射的理想點源天線可以看做是理想的全向天線。一般路由器的棒棒天線就是全向天線。
定向天線：在方向圖上表現為各個方向輻射強度不同，也就是平常所說的有 方向性。典型的定向天線就是八木天線。八木天線的振子就是引向器，指向的方向就是接收或發射電磁波的方向。
輻射方向圖通過電波暗室來測量，一般是將天線對準標準喇叭天線，然後在軟體裡設置需要測量的角度及頻率。
待測天線要固定在此面且用膠帶粘好連接電纜，因為轉臺的轉動會導致電纜的晃動影響到測試結果。這是筆者實測路由器天線的圖片。
方向性係數
指在總輻射功率相同的情況下，天線在某一輻射方向上的輻射功率密度與理想全向天線在該方向的輻射功率密度的比值，通常所說的方向性係數，指的都是在最大輻射方向的方向性係數，用D表示。
天線增益G
當我們聽到「增益」這個術語時，我們通常認為「這個裝置會放大信號，使其產生更大的能量」。但對天線來說不是這樣的。大多數天線都是「無源器件」，它不會放大任何東西。當我們考慮增益時，都想著增益越高，器件發出的總能量就越高。但這可能不是真正天線工作的情況下。更高的天線增益可能意味著「更高的能量在一定的方向上傳輸」，但它可能並不意味著「總能量出設備」。天線增益的定義是指在某一方向上發射的功率與某一參考點的比值。這通常用 db、dbi或 dbd表示。這是用來表示「天線在指定方向上傳輸能量的效率」的指示器。以下是典型增益值的經驗傳播模式規則。隨著天線增益的增加，傳播的方向越來越集中，這並不意味著總的傳輸能量（橢圓包圍的區域）變得更高。
它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關係，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。
天線增益的測量
測試設備為信號源，頻譜儀或其他信號接收設備和點源輻射器。
1．先用理想（當然是近似理想）點源輻射天線，加入一功率；然後再距離天線一定的位置上，用頻譜儀或接收設備測試接收功率。測得的接收功率為P1
2．換用被測天線，加入相同的功率，在同樣的位置上重複上述測試，測得接收功率為P2;
3．計算增益：G=10Lg(P2/P1)
天線效率
由於天線系統中存在導體損耗、介質損耗等，所以實際輻射到空間的電磁波功率要比發射機輸送到天線的功率小。天線效率就是表徵天線將輸入高頻能量轉換為無線電波能量的有效程度，定義為天線輻射功率和輸入功率的比值。
天線極化
所謂天線的極化，就是指天線輻射出的電磁波中的電場方向。無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定規律變化的，這種現象稱為無線電波的極化。天
根據時變電場矢量端點運動軌跡的形狀、取向和旋轉方向，天線極化方式分為線極化、橢圓極化和圓極化
• 對於線極化，當電場方向垂直於地面時，稱為垂直極化當電場方向平行於地面時，稱為水平極化.
• 水平極化傳播的信號在貼近地面時會在地表產生極化電流，導致電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產 生極化電流，保證信號的有效傳播。所以手機天線都採用垂直極化
• 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。
極化損失
垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，發生極化損失。例如：用線極化天線接收圓極化波，只能接收到來波的一半能量。
天線的隔離度
• 定義為一個天線發射的信號功率與另一個天線接收到的信號功率的比值，單位為dB，即，L=10lg(Pt/Pr)，Pt表示發射天線發射的信號功率, Pr表示接收天線接收到的信號功率。
• 工程上可以使用S參數來表示多天線之間的隔離度，比如有2個天線，那麼可以用-20lg(|S21|)表示這兩個天線之間的隔離度。
• 天線的隔離度越大，天線之間的相互影響越小，比如說多頻段天線之間的相互發射和接收就不能有幹擾。
知道了天線的一些特性，就可以針對性的去DIY一些簡易天線。
但是由於自製的話尺寸控制並不能很精準，所以實際會有些頻偏也正常。網上常見的一些DIY天線還包括環天線。
這種環天線的最大輻射方向垂直於環平面，而最小輻射方向在環所在的平面。知道了輻射方向就知道天線在架設過程中該如何擺放。環面積越大輻射越強。
大家如果有興趣的話也可以拆解一些不用的AP天線看看，實際上裡面的類型是不一樣的，有些會以PCB代替，其它也會用銅管。鋼管的話就涉及到螺旋天線了，螺旋天線的主要結構參數有：
• 螺距P、螺旋線圈直徑D、導體直徑d
• 螺旋天線高度H、導線總長度L
• 螺旋天線的圈數N
像網上買的雙頻AP天線，通常拆開后里面會有多種螺距
• 兩個分支實現雙頻工作
• 單個分支實現雙頻工作
坦白講天線筆者也僅懂個皮毛，學信息工程或是通信工程的，天線專門是一門學科，所以還是得多看書多學習。目前只是實際工作中一直會接觸到實際測試的應用。希望本期內容能對大家有所幫助。好了，今天就到這，我繼續學習了，不足之處歡迎評論指出。
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