天線廣泛應(yīng)用于電信領(lǐng)域，任何一套無(wú)線系統(tǒng)都一定需要天線。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來(lái)傳遞信息的，都需要各種特制的天線以發(fā)送或接受信息數(shù)據(jù)。

一、認(rèn)識(shí)天線基本知識(shí)

天線用于發(fā)射和接受能夠通過(guò)自由空間進(jìn)行傳播的電磁波。發(fā)射天線是將傳輸?shù)诫娐范丝诘墓β首儞Q成電磁波，而接受天線是捕獲來(lái)自電磁波的功率，并將它提供給電路端口。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，天線就是能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效的接受空間某特定方向來(lái)的電磁波裝置。

 

1、無(wú)線電波介紹

天線所發(fā)射或接受的無(wú)線電波是一種能量傳輸形式，即電磁波。在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間上相互垂直，同時(shí)這兩者又垂直于傳播方向。 電磁場(chǎng)三維圖： 電磁波傳播平面圖： 英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀(jì)通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了一組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。

它由四個(gè)方程組成：描述電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時(shí)變電場(chǎng)怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律、描述時(shí)變磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第感應(yīng)定律。 1889年,赫茲為了證明了麥克斯韋的電磁波理論，利用振蕩電偶極子和共振電偶極子進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了振蕩電偶極子能夠發(fā)射電磁波。 赫茲為了產(chǎn)生電磁波，使用了一個(gè)由兩個(gè)球形端子和一個(gè)火花間隙組成的振蕩電路。這個(gè)電路通過(guò)一個(gè)高壓感應(yīng)線圈來(lái)供電，當(dāng)感應(yīng)線圈的開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，會(huì)在端子之間產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖，導(dǎo)致火花間隙放電，并形成一個(gè)振蕩電流。這個(gè)振蕩電流就相當(dāng)于一個(gè)變化的電偶極子，根據(jù)麥克斯韋的理論，它會(huì)輻射出電磁波。赫茲為了檢測(cè)他產(chǎn)生的電磁波，使用了一個(gè)由一個(gè)環(huán)形導(dǎo)線和一個(gè)微小的火花間隙組成的接收器。這個(gè)接收器相當(dāng)于一個(gè)諧振回路，當(dāng)它接收到與它自身頻率相同或相近的無(wú)線電波時(shí)，就會(huì)在火花間隙處產(chǎn)生微弱的放電。

▲圖 赫茲用諧振環(huán)（金屬圈）檢驗(yàn)電磁波的存在
a）赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置（電磁波發(fā)生器+接收器）原理圖 b）通電線圈產(chǎn)生電磁波
c）萊頓瓶（電容器）放電產(chǎn)生電磁波

輻射機(jī)理
導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān).如 圖1.1 a 所示，如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開(kāi)，如 圖1.1 b 所示，這時(shí)由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱。

必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。
當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱(chēng)為振子。

2、天線中電磁波原理

作為發(fā)射器的天線，讓一定數(shù)量的電荷通過(guò)它流動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)沿多個(gè)方向擴(kuò)展的磁場(chǎng)，作為接受器的天線將受到該電磁場(chǎng)的影響，產(chǎn)生交流電流，該電流與電磁場(chǎng)頻率相似，因此與發(fā)射天線中電流相一致，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸。 安倍定律：安培定律是磁作用的基本實(shí)驗(yàn)定律 ，它決定了磁場(chǎng)的性質(zhì)，提供了計(jì)算電流相互作用的途徑。當(dāng)電荷通過(guò)導(dǎo)體移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，也可以表示為磁通量，形成一個(gè)閉合電路且磁場(chǎng)有一個(gè)特定方向，而這個(gè)方向可以通過(guò)安培定則判斷。 法拉第-倫茲定律：當(dāng)導(dǎo)體以某一速度運(yùn)動(dòng)穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將會(huì)感受到磁場(chǎng)力的作用，從而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差和電流。可以理解為變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，而恒定的磁場(chǎng)并不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。 根據(jù)以上分析，處于空間中的導(dǎo)體片，可變的磁場(chǎng)將令其產(chǎn)生一種交變電流，電荷交替的移動(dòng)，從而產(chǎn)生電位差和相應(yīng)的電場(chǎng)。有了電場(chǎng)，就有了磁場(chǎng)，有了磁場(chǎng)，就有了電場(chǎng)，如此循環(huán)，就有了電磁場(chǎng)和電磁波。我們把變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的可變磁場(chǎng)稱(chēng)為電磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)可以用特定的磁通量線描述，電場(chǎng)可由指向電位差的向量描述，我們可以將其隨時(shí)間在空間上的變化路徑，這樣可以得到兩個(gè)垂直的正弦波或余弦波。

 

二、天線工作原理

事實(shí)上，任何導(dǎo)體都可以接收電磁波，而任何振蕩電荷都可以做為天線輻射電磁波。天線是設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)、讓這種發(fā)射和接收的效果增強(qiáng)了而已。 當(dāng)使用閉合線圈時(shí)，由電磁感應(yīng)原理，通上交變電流將產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，但這里的電磁場(chǎng)不能傳播出去，只在附近波動(dòng)，但天線中，電磁波需要脫離激勵(lì)源并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。 無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接收下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)。天線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波和空間波之間轉(zhuǎn)換，即電磁波和高頻電流的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞。 當(dāng)終端開(kāi)路的平行雙導(dǎo)線上載有交變電流時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。 若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開(kāi)，電場(chǎng)就散播在周?chē)�空間，因而輻射增強(qiáng)。當(dāng)兩導(dǎo)線完全張開(kāi)，導(dǎo)線上的電流方向完全相同時(shí)，電磁場(chǎng)輻射能力最強(qiáng)。 這種能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線，被稱(chēng)為振子。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱(chēng)半波對(duì)稱(chēng)振子。將全波對(duì)稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱(chēng)為折合振子。 振子不是一個(gè)完整的天線。振子是天線的核心部件，形態(tài)會(huì)隨天線的形態(tài)變化而變化。 不同通信系統(tǒng)中根據(jù)相應(yīng)的需求設(shè)計(jì)了不同的天線，所以天線有多種類(lèi)型：

1）有線天線，包括偶極子天線、螺旋天線、八木天線等多種線形排列的天線，使用細(xì)線建造的線狀通常增益較低，最常在低頻率下使用，且輕巧，易于設(shè)計(jì)和制造；

2）孔徑天線或面天線，電磁波在所在孔徑或特定區(qū)域以定向方式傳輸，包括矩形或圓形喇叭天線、拋物面天線，常用于微波或毫米波；

3）貼片天線或印刷天線，用于電子系統(tǒng)中，與集成電路一起嵌入電路板；

4）陣列天線，由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過(guò)適當(dāng)激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線，可以與任何類(lèi)型天線一起使用。

 

三、天線的參數(shù)

天線的功能：

1：能量轉(zhuǎn)換功能，天線需要高效地將饋線系統(tǒng)傳播的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量。

2：方向性器件，發(fā)射天線能將能量定向地輻射到設(shè)定方向，接收天線只接收機(jī)設(shè)定方向的無(wú)線電波。

3：天線是極化器件，應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波。

4：天線是饋線系統(tǒng)的負(fù)載，需要和饋線系統(tǒng)進(jìn)行很好的阻抗匹配。

5：天線需要滿足電子系統(tǒng)工作頻段的要求。

天線最重要的參數(shù)可能是其能量如何聚焦。幾乎所有天線都以所需的模式或方向發(fā)射和接收無(wú)線電波。

1、輻射方向圖。通常指天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，有平面和三維。

2、方向性。描述天線在某特定方向相對(duì)于全向輻射狀態(tài)的輻射功率強(qiáng)度，通常也指最大值。

3、增益。增益與方向性有密切關(guān)系，但其同時(shí)將天線損耗等因素考慮在內(nèi)。在輸入相同功率的情況下，天線在最大輻射方向某一距離 r 處，相對(duì)于理想點(diǎn)源在r 處輻射強(qiáng)度的比值。

4、極化方式。描述天線工作方式，極化以電磁輻射電場(chǎng)分量的振蕩平面為基礎(chǔ)，射頻天線通常為線極化或圓極化天線。線極化天線通常為垂直極化或水平極化天線，而圓極化天線為左旋或右旋圓極化天線。

5、天線輻射效率：考慮天線損耗；天線效率：整體考慮，包括天線的導(dǎo)體、介質(zhì)損耗等。