无线电技术的革命性意义（无线电技术的演变）

无线电技术的革命性意义（无线电技术的演变）但随着家用无线电技术的发展，定向天线也遇到了问题，那就是无法快速和高效的转向天线，当然你可以通过增加一个电机让定向天线通过机械结构转向，但是在家用路由器的场景下就不太现实，转向的转速受限于机械结构而且无法同时满足多个用户同时使用的场景，阵列天线就解决了这个问题。雷达接受卫星信号学过高中物理的都知道，频率越高，波长相应的就越短，电磁波的波长就从广播时代的几百米甚至几公里的波长，缩短到了5 g蜂窝网络的厘米或毫米级别。频率高也导致了另一个问题，那就是传播距离越来越近，低频的电磁波传播距离远，因为传播介质吸收的能量小。在大气层中传播介质就是指空气，高频无线电波在空气中传输的距离比较近，因为空气吸收了这些能量，这个道理很简单，你可以想象往湖里面丢一个石子，那水波可以传播很远的距离，但是如果水波的这个频率很高，大部分的能量就被水吸收掉了，影响到了传播，导致高频的水波传输距离受到限制。为了解决频率高的

我是个80后，在我七八岁大家还在听广播的年代，广播的 FM 和 AM 这些频段的电磁波的频率在几千赫兹到几兆赫兹之间，处于频率比较低的范围，那时候的广播塔都是全向天线，向不同的方向发射无线电信号，有点像一个灯泡，不同方向的人看到这个光线都是一样的亮度。

广播电视发射塔

家用的无线电路由器频率就高了很多，在2.4 g 赫兹频段也都是单天线全向发射的，家用宽带从几兆到几十兆 这个带宽承载了网页、视频、音乐业务，再后来，随着高清视频还有连网设备越来越多，无线通讯的需求越来越大，载波承载的数据量也越来越大，家用宽带从几十兆也变成了几百兆，甚至千兆网络，载波频率需要足够高才能承载这些越来越大的信息量，通讯的电磁波频率只能越来越高。家用的无线 wifi 网络逐渐从2.4 g 赫兹频段向5 g 赫兹发展，手机的蜂窝网络也从几百兆赫频段开始向着更高、信道资源更加丰富的高频段发展，甚至5 g 毫米波频段用上了24 g 赫兹的高频频段。

家用单天线路由器

学过高中物理的都知道，频率越高，波长相应的就越短，电磁波的波长就从广播时代的几百米甚至几公里的波长，缩短到了5 g蜂窝网络的厘米或毫米级别。

频率高也导致了另一个问题，那就是传播距离越来越近，低频的电磁波传播距离远，因为传播介质吸收的能量小。在大气层中传播介质就是指空气，高频无线电波在空气中传输的距离比较近，因为空气吸收了这些能量，这个道理很简单，你可以想象往湖里面丢一个石子，那水波可以传播很远的距离，但是如果水波的这个频率很高，大部分的能量就被水吸收掉了，影响到了传播，导致高频的水波传输距离受到限制。

为了解决频率高的无线电传输的距离问题，只能通过增加功率或者定向发射来解决，那增加功率只能在一定程度上弥补传输距离的短板，因为空气中传输的全向发射的电磁波能量会被空气介质吸收，导致电磁波衰减依然很严重，突破一个域值之后，能耗就大的没有实际意义了，因为此时你通过高的离谱的发射功率来提升一点点的传输距离并不划算，这时看起来像锅盖一样或者一排排的天线阵子的定向天线就可以解决传输距离问题，这也就是为什么卫星超远距离的电磁波通讯都用的定向天线。

雷达接受卫星信号

但随着家用无线电技术的发展，定向天线也遇到了问题，那就是无法快速和高效的转向天线，当然你可以通过增加一个电机让定向天线通过机械结构转向，但是在家用路由器的场景下就不太现实，转向的转速受限于机械结构而且无法同时满足多个用户同时使用的场景，阵列天线就解决了这个问题。

家用多天线路由器

阵列天线通常有很多的辐射组件组成，除了这些小小的辐射组件共同组成了天线，甚至很多辐射组件直接做在电路板上了。这就是为什么很多无线设备的天线都做到机身里面却看不到的原因，通过多个辐射组件之间的互相干涉，可以让电磁波具有很强的方向性。两个并排的辐射组件，花费同样的能量，可以让定向传播的电磁波得到两倍的增强，同时减少两边发射的电磁波，四个并排的辐射组件，可以加强四倍的向前传输的电磁波能量让电磁波的方向性更强，同时减少周围泄露的旁瓣电磁波。

用来描述电磁波传输方向的主要的范围叫做主波瓣。周边发射的这个电磁波叫做旁瓣，旁瓣覆盖的区域也是有信号的，只不过相对主波瓣范围小了很多，强度也小了很多，多个辐射组件组成的天线阵列增强电磁波传播的方向，这个叫做阵列增益，多个辐射组件因为在空间里的位置有些许的差异，那通过多个辐射组件之间协调发射电磁波的延迟，也就是电磁波相位，可以使得电磁波主波瓣的发射角度发生偏转，通过这种方式可以实现电磁波转向，比如说现在的5 g 基站的相控阵天线就可以同时发射多条电磁波，给不同的终端，主动的把信号最强的主波瓣送到我们的手机天线上。

辐射组件可以有很多很多个，通过辐射组件之间的配合可以实现单一电磁波波束变窄，然后传输距离变得很远，也可以实现多条不同方向的电磁波波束朝着不同方向同时传输，同时满足多个用户，这个就叫做大规模多进多出，因为相控阵天线是通过数字信号控制不同的辐射组件实现电磁波的方向的，所以不用像机械结构的定向天线一样，需要通过机械结构。

比如马达旋转天线阵子来调整电磁波发射的方向，同时通过不同的辐射组件可以发射多条电磁波束，同时跟多台设备同时通讯，这个就解决了机械结构转向，定向天线做不到的，同时满足多个方向发射电磁波的问题，这种通过多个辐射组件，来控制电磁波传播方向的天线，就叫做相控阵天线。转向电磁波发射并且增强某个方向的传播技术就叫做波束赋形，这些就是为什么现在的天线，不管是手机信号塔，还是家用的无线路由器的天线形态都跟传统的单根全方向射频的天线不一样的根本原因。

因为现在的业务数据量太大了，电磁波频率越来越高，导致全向发射的电磁波功耗太高，传输效率太低，而且衰减也大，所以现在的定向天线都是通过阵列天线来增强信号的，把全方向射频的电磁波聚拢起来朝着一个方向发射。举几个生活中的例子，比如说现在的家用无线路由器的天线都是这种面板或者是多根天线的形态，就是为了将电磁波波束赋形成比较窄的波束，实现更远的距离和更精准的信号传输，无人驾驶的汽车用到的毫米波雷达也是通过窄波束的电磁波来探测，很快速的发射这种窄带电磁波来探测周边的这个车辆的信息，这些实际应用都用到了阵列天线实现的集中电磁波波数的技术。