上一回我们从弗里斯的传输公式之中说明了空间、频率、强度和通信距离之间的关系，并说明频率越低通信距离就越长，而只增加信号强度的话，通信距离并不会增加太多，而如果在天线上稍微加工的话，会有和增加信号强度同样的效果。而本期的主题围绕着天线来讲解。我们从指向性的观点，解说各种天线的特性和用途。
 

什么是天线的性能？
天线的指向性能一般是被称为“增益”，而单位是用“dBi”来表示。i是Isotropic的头一个字母， 表示以全方位均等的敏感度的理想型无指向性天线为基准，并用常用对数(10 * log10(n))来表示目标天线的最大灵敏度方位的倍数。偶尔也会有使用“dBd”单位的情况，但是这是在理想偶极天线（增益 2.15dBi）为基准时的记录，而可以用dBi=dBd+2.15来换算。

天线的指向性越高，可发挥最大程度性能的方向面也会变得越窄。如果信号源方向和天线的峰值指向性方向发生偏差的话，能接收信号的能力会变得比无指向性的接收能力更低（增益变成0以下）。也就是说在指向性天线性能规格书中，不仅需要记载“增益”还需要记载“可发挥此增益的角度范围”的数值。此角度是指增益从峰值到-3dB之间的角度值，并把此角度称为“半值角(Half-Power Angle)”。如果是最大增益为3dBi的天线，那么半值角是0到3dB之间的角度，而如果最大增益是0的情况，那么半值角的角度是到-3dBi之间的角度。如果角度的变动幅度都小于-3dB的话，说明此天线是具有全方位360°性能均等的无指向性天线。

天线的指向特性不仅仅是对称的，在水平面（从上方观看）和垂直面（侧面观察的情况）也会有不一样的情况。按照惯例我们把垂直面称为E-Plane，把水平面称为H-Plane，但是并不一定是意味着“纵/横向”的意思，而是表示电磁波传递中的电面(E)/磁面(H)的符号。作为天线的基本形状的偶极天线垂直立于地面的情况，电面的震动会以垂直，磁面的震动会以水平的形式出现，所以我们按照“惯例”来看待E/H是垂直、水平也是可以的。但是根据天线的形式和设置形式，也不一定所有E/H和天地的方向是一致的，所以需要注意此点。

虽说都是“高性能天线”，但根据其半值角是多少度、相对于E-Plane、H-Plane是如何延展出去根据以上的不同，其特性也会不同。而且我们人类的主要生活活动场所是在地表，所以经常利用垂直面窄、水平面宽的指向性天线。以下，我们会对具有代表性的天线的名称和特性，以及其主要用途进行说明。


全向天线
“窄于垂直平面，宽于水平平面”的天线的代表是“窄于垂直平面，宽于水平平面”的天线的代表是。它对水平方面360°是几乎无指向性的，而对垂直平面呈10度左右的指向方向性，且其电波放射面是呈圆盘状。此天线从外观上看像是一根立着的棒子，但实际上是由数根纵向重叠的小型天线组成的“图腾柱”结构，也被称为“共线天线阵列”。而全向天线的增益一般是5到10dBi左右。
全向天线的缺点在于“电波呈圆盘状发出”。这在发送/接收端几乎处于同一高度时是很方便的，但如果像手机那样只把发送端一端设置在高处，会导致天线正下方形成很大的死角。另外，从水平面向上发射的信号会在飞到宇宙空间后消失，实际性能会减半。



扇区天线
可以弥补此缺点的是扇形天线(Sector Antenna)、这个具有与水平面呈90 ~ 180度，与垂直面呈30 ~ 60度的不对称的特性。将其束成环状形状并设置在高处，就可以制作出具有“圆盘状”且特化“向下”特性的天线。这被称为“扇形天线阵列”。扇形天线每个扇区的增益大约是5到12dbi。
扇形天线阵安装在高空，覆盖范围由近至远，能有效地向地面接收端发射能量。因此被用于移动电话的基站等，但由于需要多个天线元件，所以价格比较昂贵，且还拥有需要用高频分配器来整合多个天线等的缺点。


扇形天线的一种，与水平、垂直面对称60 ~ 90度的指向性天线被称为贴片天线(Patch Antenna)。在手机的世界中，顾名思义，就是用来填补因建筑物阴影等原因产生的信号不稳定区域。而在无线LAN的世界里作为简易的定向天线，多被用于通信距离的延伸。贴片天线的增益也在5 ~ 12dbi左右。



高指向性天线




 

八木天线(准确来说是八木· 宇田天线)和抛物线天线、它们都具有锐利的指向特性，也就是所谓的“定向天线”的代表。增益通常是10dbi以上，而有些抛物线天线可以达到30dbi的增益。这种天线的半值角只有5度左右，所以需要相应的高精准度来设置。

八木和抛物线的区分是根据波长(频率）来区分的，八木天线是在50MHz～5GHz 左右，而抛物线是在1GHz～10GHz左右的领域中被使用（注）。

八木天线的树枝(素子元素)的长度与1/2波长一致，在50MHz波段的天线宽度约为3m，大小接近实用上限。反之，5GHz的天线宽度约为3cm，而更高的频率的天线宽度就会变得太小，导致难以实现安装精度等，实用性会降低。

另一方面，虽然抛物线天线的大小和频率没有直接的关联，但是其拥有增益与面积成正比、与波长的平方成反比的特性。也就是说，频率越高(波长越短)，即使是小直径也能获得高增益，反之，如果想要在低频段范围内获得相同增益，抛物面就会变得比八木天线更巨大。两者的平衡点大约是在3GHz附近，所以2.4GHz用的高定向天线，八木天线比抛物天线的品种要丰富，而5GHz用的抛物天线比八木天线的品种要更加丰富。

(注)另外，作为TV播放用，VHF采用 90～222MHz频段，UHF采用 470～770MHz频段，而卫星广播是采用12～14GHz频段。用于TV的天线被区分为「大型八木天线(VHF 用)」「小型八木天线(UHF 用)」「抛物线天线(卫星用)」三种模式，和使用频率有很大的关联。

由于八木和抛物天线的指向性非常强，所以不适合用于不清楚对方在哪里的移动基站的通信。就算使用在固定基站，作为原则，适合1：1的通信。且因此特性，常常被用于固定基站之间的无线链路的回程(Backhaul)等。


无指向性天线
像笔记本电脑和手机的分机等的可移动终端设备的情况，由于它们的接收器和发送端的位置关系每时每刻都在变化，所以需要的是无指向性（从全方位均等地接收电波）的性能。也就是说，天线的增益越接近0dbi就越适合。
非定向天线的代表选手是单极天线，其基本原理是将1/4波长的导线竖直站立形成的天线。也经常被称为“环形天线，还有无线LAN用的塑料天线(天线元件嵌入弹性塑料鞘内)有时也会被称为大黄鸭(RubberDuck)”。可以说是市面上最常见的无线LAN设备天线的种类。
单极天线的发射模式为“水平八字”，对正上方和正下方没有感应度。虽然各个厂家都下了很多功夫，但是获得完全无缺的全方向可感应的特性还是比较困难，导致拥有2 ~ 3dbi左右的增益(即根据方向的感应度出现偏差)的情况是比较多的。




移动终端设备不适合天线有突出处，所以有时要求将天线嵌入框体内部。在这样的情况下，在基础上刻印图案的图案天线，作为薄膜版的胶片天线，或者零件状的芯片天线被使用。芯片天线是可以直接安装在基板上的几毫米的部件，可以起到天线的作用，所以在超小型的便携设备中很受欢迎。芯片天线内部拥有复杂的线路，其工作原理类似螺旋天线。

方向图天线和贴片天线一般比单极天线内部损耗大、效率低、方向特性不均匀，不一定是最合适的天线。此外，由于体积小，它们通常被放置在其他电子元件和框体的附近，因此也容易受到干扰而发生特性变化。如果我们不考虑当用户手握移动设备时特性会不会产生变化的话，则可能会出现在实验室中表现出色的产品，在实际的产品使用环境中无法发挥出原本的性能的情况。(※注)。

(※注)Apple公司的iPhone4出售时因“右手拿手机换成左手拿手机时，通话就会直接断开”而闹得沸沸扬扬，这是因为将手机周围的金属带用作天线的设计所导致的不利影响。


自适应阵列天线
有些人可能还记得在城市建筑物和公寓的屋顶上看到过四脚和八脚天线。这是一种用于移动电话基站的一种自适应阵列天线。
自适应阵列天线是指结合多个天线元件，通过电气操作各元件的ON/OFF和元件间的延迟(相位)来间接实现操作指向特性的天线。应用此技术的规模较大的是军事用的相位阵列雷达，而较小的则是广泛被用于民间，其代表就是手机的基站。
在消费电子领域，我们之前提到过，使用60GHz频段的WiHD标准采用了自适应阵列天线。除此之外，3x3码流的802.11n无线 LAN（以“标称 450Mbps 兼容”的形式出售）使用3或4个天线用于 2码流，并且可以通过切换所使用的天线组合来改变方向性。有些甚至可以通过波束形成(Beam Forming)功能来操纵，这也是一种自适应阵列天线。
在本系列文章中，我多次说过“高指向性天线难部署”和“高指向性天线不适合移动站”，这是因为天线的指向性只向一方向有突出的表现，所以除非发射器和接收器可以容纳在此范围之内，否则性能会不稳定。但是，在自适应阵列天线的情况下，则无需担心，因为天线的方向性会根据情况自适应调整。换句话说，它是一种结合了定向天线的高性能和全向天线的可用性的天线。另一方面，自适应阵列天线拥有体积大、成本高、功耗大等待缺点，以手机为例，虽然在基站容易导入自适应天线，但很难实现全部分机都使用自适应天线。
那么，虽说是“根据状况”“适应性的”，那么是需要以什么样的标准来判断，且以什么样的算法来适应呢？这种算法本身也是会影响自适应天线阵列的性能。802.11n 无线局域网中又使用两种算法：“主动方式”和“被动方式”。其中详情和盈亏我们再另外介绍。


总结
虽然统称为“高性能天线”，但根据使用状况的不同，“性能”本身也会发生变化。对于技术人员来说，移动设备越是接近非指向性就越会变得“高性能”，这是常识，但对于一般人来说，可能并不太了解。这么说来，以前在手机背面贴个贴纸，或者在天线前端拧个螺丝就能“提高感应度!”以此为标题的可疑产品经常能在漫画杂志的广告上看见，但是现在似乎已经见不到这些广告了。如果理解天线的“灵敏度(增益)”是什么样的性质，我想马上就能知道那些产品有多么可疑。
下一期我们会讲解关于天线的“规格书的读法”。