即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 1.系列文章介绍

 

 1.1谁适合阅读?

 

 在这一系列的文章中,我们尽最大努力用最简单的文字和图片来组织内容,以便那些没有通信技术基础的人能够理解。然而,我个人认为,至少读一点网络交流的知识会更有意义。如果你在大学里学过计算机网络,你一定不能错过这一系列的文章。

 

 特别推荐即时通讯开发者阅读,因为对于移动网络薄弱的问题,可以找到许多有价值的答案。

 

 友好提示:本系列文章可能涉及以下通信技术类别。如果你感兴趣,你也可以自己系统地研究它们:

 即时消息开发者的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 1.2本系列文章的初衷

 

 作为即时消息(即时消息、消息推送等)的开发者。)相关技术,看来对跨学科通信技术(这是大学通信工程专业学生的学习内容)的了解有点太深和太低了,因为一般来说,掌握TCP\IP相关协议和网络编程相关应用技术在逻辑层面上几乎可以胜任这项工作。

 

 是的。然而,在开发即时通讯和推送等应用系统时,尤其是在移动网络下,各种薄弱的网络问题是非常痛苦的。

 

 典型的弱网络问题,例如:

 

 1)频繁断开;

 2)严重的数据包丢失;

 3)网络抖动;

 4)网络延迟;

 ........

 

 那么,鉴于上述现象,我们如何才能自信地向老板、顾客和产品经理解释以下问题呢?

 

 1)这些现象的根本原因是什么?

 2)如何向老板解释在高铁上使用声音视频聊天功能非常困难?

 3)如何向客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络中的成功率?

 4)当购物中心或拥挤的地方信号很好时,如何向顾客解释你的APP不能使用?

 .......

 

 你说所有这些都是网络问题,应用程序代码对此无能为力。你在说什么样的网络问题?如果你能说服人们,你就可以把锅扔向网络,否则,只会是应用程序代码。现实一点!

 

 因此,让我们诚实地花些时间研究通信技术(通信技术直接面向网络通信的物理层),至少如果我们遇到问题,我们不应该告诉别人,至少给自己找一个过去的解释。这是一个优秀程序员的成就!

 

 1.3本系列文章的价值

 

 在互联网上可以找到的所有通信技术数据要么太专业,要么太不专业,要么是从事网络工程的专业人员写的(内容很专业,但很难理解),要么是外行的信息技术开发人员写的(很少,没有什么价值,因为他们不够专业,内容不准确,参考价值有限)。

 

 它不仅能被外行和普通程序员理解,而且能准确地解释通信技术的知识,这比发现金矿更难。因为普通程序员可以访问的网络编程和网络通信的数据大多是针对数据通信的逻辑层(如tcpip、socket等知识类别),而通信技术涉及数据通信的物理层(交换机、路由器、天线、网络标准等)。),从某种意义上说,这是一个完全不同的技术方向。

 

 好消息是,经过长时间的数据收集,我终于有了这一系列的文章,希望能给你带来帮助。

 

 1.4扩大阅读范围

 

 即时消息网络已经编辑了几篇对通信层来说是新的文章,例如“移动即时消息开发者必须阅读(1):易于理解和理解移动网络的“弱”和“慢”,“移动即时消息开发者必须阅读(2):历史上最全面的移动弱网络优化方法概述”,“现代移动网络中短连接的优化方法概述:请求速度、弱网络适应、安全保证”。如果你读过这些文章,不要错过这一系列的文章“即时通讯开发者零基通讯技术介绍”。

 

 此外,如果你对程序员应该掌握的基本网络编程知识了解不多,建议你先阅读“网络编程懒惰系列简介”、“脑残网络编程系列简介”和“未知网络编程系列”。

 

 1.5:通信技术女神镇建筑

 

 面向即时消息开发者的零基通信技术介绍(8):零基,历史素养中最强的“天线”原则

 ▲历史上最高价值的科学杂志的封面,人物是“码分多址之母”——海迪·拉马尔(被表演艺术延迟的科学女神)

 2.这一系列文章的目录

 

 面向即时通信开发者的零基通信技术介绍(一):通信交换技术百年发展历程(一)

 面向即时消息开发者的零基通信技术介绍(二):通信交换技术百年发展历程(二)

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(三):中国通讯模式的百年变迁

 面向即时消息开发者的零基通信技术介绍(四):手机的演变,历史上最完整的移动终端发展历史

 面向即时通讯开发者的零基通信技术介绍(五):1G到5G,移动通信技术30年的演进历程

 即时通讯开发者零基通信技术介绍(六):“基站”技术作为移动终端的连接器

 即时通讯开发者零基通信技术介绍(七):移动终端的最大化——“电磁波”

 即时消息开发人员的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养(*本文)

 即时消息开发者零基通信技术介绍(九):“核心网”,无线通信网络的中心

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(10):零基,历史上最强的5G技术素养

 即时通讯开发者零基通信技术介绍(XI):为什么无线信号不好?一句话就明白了!》

 即时消息开发者零基通信技术介绍(12):互联网接入?网络中断了吗?一句话就明白了!》

 即时消息开发者零基通信技术介绍(十三):手机信号差?一句话就明白了!》

 即时通讯开发者零基通信技术介绍(14):在高速铁路上无线上网有多难?一句话就明白了!》

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(十五):了解定位技术,一篇文章就足够了

 3.本文概述

 

 为了系列文章的一致性,本文的另一个标题是即时通讯开发者的零基通信技术介绍(8):移动终端的手脚——“天线”技术。

 

 天线是我们生活中常见的通信设备。然而,大多数非通信专业的学生,包括程序员,并不真正理解它。对于移动网络通信,天线用于基站和移动电话传输信号。

 

 英语单词天线是“天线”,最初的意思是“触须”。触须是昆虫头部的两根长细丝。不要低估这些无关紧要的事情。

 

 昆虫通过这些触角发出的各种化学信号传递各种社会信息:

 面向即时消息开发者的零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 同样,在人类世界中,无线通信也通过类似昆虫触角的天线传输信息,但只传输携带有用信息的电磁波(关于电磁波的扫盲文章,请参考即时消息开发者零基通信技术简介(七):移动终端的最大值-“电磁波”)。

 

 下图是移动电话和基站之间的通信示例:

 面向即时消息开发者的零基通信技术介绍(8):零基,历史素养中最强的“天线”原则

 

 那么,无线通信中的天线在现实生活中是什么样子的呢?有什么用?更重要的是,天线的技术原理是什么?这篇文章将通过大量的图片告诉你这些内容。本文力求易于理解并面向零基读者,希望能继续为即时通讯网络的开发者带来更多的通信技术收益。

 4.天线是生活中常见的设备

 

 换句话说,自从老科学家波波夫在1894年成功发明天线以来,它已经有124年的历史了(算了三次,应该是正确的)。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲波波夫和他的发明

 

 在这漫长的历史中,它为人类社会的发展和进步做出了杰出的贡献。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲二战中取得巨大成就的英国雷达天线

 

 如今,无论是普通人的日常工作和生活,还是科学家的科研探索,都离不开天线君的默默奉献

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 天线是什么样的“线”,为什么它如此彻底地改变了我们的生活?

 5.让我们先了解一下“电磁波”

 

 事实上,天线令人敬畏的原因是电磁波令人敬畏。电磁波如此强大的主要原因之一是,它是唯一不依赖任何媒介就能传播的“神秘力量”。即使在真空中,它也可以自由来去,而且很快就会到达。本系列的第七篇文章详细解释了电磁波,可以仔细阅读:“即时消息开发人员零基通信技术简介(7):移动终端的最大值——“电磁波”)

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲电磁波效果图

 

 即时消息开发者的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲电磁波传播示意图

 

 为了充分利用这种神秘的力量,你需要一个天线。

 6.天线的技术原理

 

 在无线电设备中,天线是用来辐射和接收无线电波的装置。

 

 天线的英文名称:Antenna(也意味着触角和直觉)。

 

 更流行的说法是,天线是一种“转换器”——将传输线上传播的导波转换成在自由空间中传播的电磁波,反之亦然。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲天线的功能

 

 什么是导向行波?简而言之,导波是电线上的电磁波。

 

 天线如何实现导波和空间波的转换?

 

 请看下面的图片:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养_13.jpg

 

 中学物理中,两条平行线,交流,会形成电磁波辐射:

 

 1)当两根导线非常接近时,辐射非常弱(导线产生的感应电动势由于电流方向相反而几乎抵消);

 2)当两根导线断开时,辐射会增加(导线的电流方向相同,产生的感应电动势方向相同)。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 当线的长度增加到波长的1/4时,可以形成最佳的辐射效果:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 有电场,就有磁场,有磁场,就有电场,等等,就有电磁场和电磁波。。。

 

 即时消息开发者的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲电产生磁性,磁性产生电

 

 让我们拍另一张照片,让我们感受这个美丽的过程:

 即时消息开发者的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 7.天线中的“振荡器”

 

 导线电流方向的变化会产生变化的电场。这两条产生电场的直线叫做振动器。通常两臂长度相同,所以它们被称为对称振子。

 

 像下面这样的长度称为半波偶极子:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 ▲半波偶极子

 

 连接导线的两端,它就成为一个半波对称的等效振荡器:

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 ▲半波对称折叠振荡器

 

 有点像粉刷墙壁的画笔;

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 对称偶极子是迄今为止最经典、应用最广泛的天线。这个理论还是有点无聊。快点,让我们结合真实的东西。

 

 现实世界中的振动器是什么样的?Duang!就是这样:

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 就是这么一块金属。。。半波偶极子(非折叠)。

 

 事实上,上面这个只是振动器的传统形式,它也有N种可变状态:

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 ▲形状奇特的振荡器

 8.天线的类型

 

 孟逼的?如果在最后一个世界中提到的振动器是天线,那么它在哪里是天线?我们在现实生活中看到的天线不像这只鸟。

 

 确切地说,振动器不是一个完整的天线。振动器是天线的核心部件,它的形状会随着天线的形状而改变。

 

 天线的形状太复杂了。。。更多。。。开始吧。。。

 

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 ▲总之,几十万

 

 尽管天线的形状各不相同,但根据它们的相似性,它们可以大致分类:

 

 1)按波长:中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线...

 2)根据性能:高增益天线、中增益天线...根据方向:全向天线,定向天线,扇形天线...

 3)根据用途分为基站天线、电视天线、雷达天线和无线电天线...

 4)按结构划分:线天线和面天线...

 5)根据系统类型:单元天线、天线阵...

 

 如果按照外观进行划分,有几种常见的,如下图所示:

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 ▲鞭状天线

 

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 ▲抛物面天线

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲ Yagi天线

 

 附言:八木天线不是八块木头:

 虽然我不擅长数学,但我仍然能数到八。它被称为八木,因为它是由日本的八木秀次和大冢在20世纪20年代发明的。它简称为八木玉田天线。

 

 

 对于即时通讯网络的即时通讯程序员来说,我们最关心的当然是能够实现手机无线通信的通信基站天线了!

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲基站天线

 

 基站天线是基站天线馈电系统的组成部分,也是移动通信系统的重要组成部分:

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 基站天线通常分为:

 

 1)室内天线;

 2)室外天线。

 

 室内天线通常包括全向天花板天线和定向壁挂天线等。:

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 让我们把注意力集中在户外。

 

 室外基站天线也分为全向和定向天线。定向天线分为定向单极化天线和定向双极化天线。

 

 什么是两极分化?别担心,我们以后再谈。让我们谈谈全方位和定向。事实上,顾名思义,全向天线在周围发射和接收信号,而定向天线指向特定的方向。

 

 室外全向天线,像这样:

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 这是一根又粗又细的棍子。

 

 里面的振动器是这样的:

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 与全向天线相比,定向天线在现实生活中应用广泛。

 

 它大部分时间看起来像一块板,所以它被称为板天线:

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 平板天线主要由以下部分组成:

 

 1)辐射单元(振动器);

 2)反射板(底板);

 3)配电网(馈电网络);

 4)包装保护(天线罩)。

 

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 以前,我们看到形状奇怪的振荡器实际上是基站天线的振荡器。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 9.电磁波的“极化”

 

 你有没有注意到前一节中振动器的角度有一定的规律——要么“+”要么“×”:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 这就是我们之前提到的“两极分化”。

 

 当无线电波在空间传播时,电场的方向按照一定的规律变化,这就是所谓的无线电波极化。

 

 即时消息开发人员的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 如果无线电波的电场方向垂直于地面,我们称之为垂直极化波。同样,平行于地面的是水平极化波。此外,还有一个45的极化。

 

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 不仅如此,电场的方向也可以螺旋旋转,这就是所谓的椭圆极化波。

 

 即时消息开发人员的零基通信技术简介(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 双极化意味着一个单元中的两个天线单元形成两个独立的波。

 

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 使用双极化天线可以减少天线数量和天线架设要求,从而减少投资,保证覆盖效果。总之,有许多好处。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 ▲强化恐惧症再次出现

 10.天线如何控制信号的辐射方向?

 

 让我们继续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?

 

 让我们先看一张图片:

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 这种模式被称为天线模式。

 

 由于空间是三维的,从上到下,从前到后,可以更清晰直观地观察到天线辐射强度的分布。上图也是一对半波偶极子产生的天线方向图,有点像爆胎。

 

 换句话说,天线的许多特性之一就是辐射距离。我们怎样才能使这个天线的辐射距离更长?

 

 答案是——开枪吧:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 帕奇。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 现在辐射距离已经不远了。。。问题是,辐射是看不见或抓不到的,如果你愿意,你也不能开枪。

 

 在天线理论中,如果你想拍打,正确的方法是添加一个振动器。

 

 振动器越多,“轮胎”越平:

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 好的,轮胎被做成一个蛋糕,信号距离很远,它在360度左右发散,这是一个全向天线。这种放在野外的天线非常好。然而,在城市里,这种天线很难玩。

 

 在人口密集、建筑众多的城市,通常需要使用定向天线覆盖指定区域。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 市区基本上是定向天线,所以我们需要“改造”全向天线。

 

 首先,我们必须想办法“挤一挤”:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 如何挤压?

 

 我们添加一个反射器,并将其阻挡在一边。然后,使用多个振动器进行“聚焦”:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 最后,我们得到如下的辐射形状:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 在图中,辐射强度最高的波瓣称为主瓣,其他波瓣称为旁瓣或旁瓣,臀部有一条小尾巴,称为后波瓣。

 

 呃,这个样子,有点像。。。茄子?

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 对于这个“茄子”,你可以考虑一下,我们怎样才能最大限度地扩大它的信号覆盖面?

 

 拿着它站在路上绝对不够。障碍太多了:

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 站得高,看得远,我们必须走得高;

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 当我们到达高处时,我们如何才能发光?我和你一样聪明,你一定想到过。很简单。天线体向下倾斜不可以吗?

 

 是的,在安装过程中,直接倾斜天线是一种方式,我们称之为“机械倾斜”:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 今天的天线在安装时就有这种能力。机械臂完成了:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 然而,机械下倾存在一个问题:当采用机械下倾时,天线的垂直和水平分量的幅度不变,因此天线方向图严重变形。

 

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 这肯定行不通。它会影响信号覆盖范围。

 

 因此,我们采用了另一种方法,即电浸,简称电浸。简而言之,电下倾意味着保持天线体的物理角度不变,并通过调整天线振子的相位来改变场强。

 

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 来到一幅画前,看看它:

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 与机械下倾相比,电下倾的天线方向图变化不大,下倾程度更大。此外,前叶和后叶都面朝下。

 

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养

 

 当然,在实际使用中,它通常与机械下倾和电动下倾结合使用。

 

 向下倾斜后,它变成这样:

 即时消息开发者零基通信技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原则素养

 

 在这种情况下,天线的主辐射范围被充分利用。

 

 然而,仍然存在一些问题:

 

 1)主瓣和下旁瓣之间有一个较低的零深度,这将在这个位置造成一个信号盲区。通常,我们称之为“灯下的黑色”;

 2)上旁瓣角度大,影响距离远,容易造成跨区干扰,即信号会影响其他小区。

 

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养_60.jpg

 

 因此,我们必须尽力填补“低零深度”的空缺,抑制“上旁瓣”的强度。

 

 具体方法是调整旁瓣电平,采用波束形成,技术细节有点复杂。如果你感兴趣,你可以自己搜索相关信息。

 

 这里的知识真的很深,因此,无数的天线专家都在研究这个课题,不断地开发和测试。

 

 即时通讯开发者零基通讯技术介绍(8):零基,历史上最强的“天线”原理素养_61.jpg

 ▲上图显示天线测试暗室

 

 优秀的天线离不开良好的技术、可靠的材料和不断的测试。

 11.最后

 

 好了,文章到此结束!

 

 天线的原理似乎很简单,但追求卓越的性能是没有止境的。事实上,关于天线仍然有很多知识,远远超过本文所描述的。受限于空间,我们今天就到此为止。

 

 总之,天线真是一门高深的学问,远比每个人想象的复杂。此外,目前还处于快速发展阶段,还有很大的潜力有待挖掘。特别是对于即将到来的5G,天线技术创新是最重要的,所有主要设备制造商都将全力以赴,在5G天线上全力以赴。届时会出现什么样的天线黑技术?让我们拭目以待吧!

 

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