天线广泛应用于电信领域，任何一套无线系统都一定需要天线。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都需要各种特制的天线以发送或接受信息数据。

一、认识天线基本知识

天线用于发射和接受能够通过自由空间进行传播的电磁波。发射天线是将传输到电路端口的功率变换成电磁波，而接受天线是捕获来自电磁波的功率，并将它提供给电路端口。简单来说，天线就是能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效的接受空间某特定方向来的电磁波装置。

 

1、无线电波介绍

天线所发射或接受的无线电波是一种能量传输形式，即电磁波。在传播过程中，电场和磁场在空间上相互垂直，同时这两者又垂直于传播方向。 电磁场三维图： 电磁波传播平面图： 英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪通过数学推导建立了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。

它由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。 1889年,赫兹为了证明了麦克斯韦的电磁波理论，利用振荡电偶极子和共振电偶极子进行了许多实验，结果证实了振荡电偶极子能够发射电磁波。 赫兹为了产生电磁波，使用了一个由两个球形端子和一个火花间隙组成的振荡电路。这个电路通过一个高压感应线圈来供电，当感应线圈的开关关闭时，会在端子之间产生一个高压脉冲，导致火花间隙放电，并形成一个振荡电流。这个振荡电流就相当于一个变化的电偶极子，根据麦克斯韦的理论，它会辐射出电磁波。赫兹为了检测他产生的电磁波，使用了一个由一个环形导线和一个微小的火花间隙组成的接收器。这个接收器相当于一个谐振回路，当它接收到与它自身频率相同或相近的无线电波时，就会在火花间隙处产生微弱的放电。

▲图 赫兹用谐振环（金属圈）检验电磁波的存在
a）赫兹的实验装置（电磁波发生器+接收器）原理图 b）通电线圈产生电磁波
c）莱顿瓶（电容器）放电产生电磁波

辐射机理
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如 图1.1 a 所示，如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，如 图1.1 b 所示，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。

必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。
当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

2、天线中电磁波原理

作为发射器的天线，让一定数量的电荷通过它流动，产生一个沿多个方向扩展的磁场，作为接受器的天线将受到该电磁场的影响，产生交流电流，该电流与电磁场频率相似，因此与发射天线中电流相一致，从而实现信息传输。 安倍定律：安培定律是磁作用的基本实验定律 ，它决定了磁场的性质，提供了计算电流相互作用的途径。当电荷通过导体移动时，会产生一个磁场，也可以表示为磁通量，形成一个闭合电路且磁场有一个特定方向，而这个方向可以通过安培定则判断。 法拉第-伦兹定律：当导体以某一速度运动穿过磁场时，导体内的自由电子将会感受到磁场力的作用，从而在导体两端产生电势差和电流。可以理解为变化的磁场产生电场，而恒定的磁场并不会产生电场。 根据以上分析，处于空间中的导体片，可变的磁场将令其产生一种交变电流，电荷交替的移动，从而产生电位差和相应的电场。有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，如此循环，就有了电磁场和电磁波。我们把变化的电场产生的可变磁场称为电磁场，由于磁场可以用特定的磁通量线描述，电场可由指向电位差的向量描述，我们可以将其随时间在空间上的变化路径，这样可以得到两个垂直的正弦波或余弦波。

 

二、天线工作原理

事实上，任何导体都可以接收电磁波，而任何振荡电荷都可以做为天线辐射电磁波。天线是设计合理的结构、让这种发射和接收的效果增强了而已。 当使用闭合线圈时，由电磁感应原理，通上交变电流将产生一个波动的磁场和电场，但这里的电磁场不能传播出去，只在附近波动，但天线中，电磁波需要脱离激励源并进行远距离传播。 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。天线实现导行波和空间波之间转换，即电磁波和高频电流的相互转换实现了信息的传递。 当终端开路的平行双导线上载有交变电流时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。 若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。当两导线完全张开，导线上的电流方向完全相同时，电磁场辐射能力最强。 这种能产生显著辐射的直导线，被称为振子。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子。 振子不是一个完整的天线。振子是天线的核心部件，形态会随天线的形态变化而变化。 不同通信系统中根据相应的需求设计了不同的天线，所以天线有多种类型：

1）有线天线，包括偶极子天线、螺旋天线、八木天线等多种线形排列的天线，使用细线建造的线状通常增益较低，最常在低频率下使用，且轻巧，易于设计和制造；

2）孔径天线或面天线，电磁波在所在孔径或特定区域以定向方式传输，包括矩形或圆形喇叭天线、抛物面天线，常用于微波或毫米波；

3）贴片天线或印刷天线，用于电子系统中，与集成电路一起嵌入电路板；

4）阵列天线，由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线，可以与任何类型天线一起使用。

 

三、天线的参数

天线的功能：

1：能量转换功能，天线需要高效地将馈线系统传播的导波能量转换为电磁波能量。

2：方向性器件，发射天线能将能量定向地辐射到设定方向，接收天线只接收机设定方向的无线电波。

3：天线是极化器件，应能发射或接收规定极化的电磁波。

4：天线是馈线系统的负载，需要和馈线系统进行很好的阻抗匹配。

5：天线需要满足电子系统工作频段的要求。

天线最重要的参数可能是其能量如何聚焦。几乎所有天线都以所需的模式或方向发射和接收无线电波。

1、辐射方向图。通常指天线的远场辐射特性，有平面和三维。

2、方向性。描述天线在某特定方向相对于全向辐射状态的辐射功率强度，通常也指最大值。

3、增益。增益与方向性有密切关系，但其同时将天线损耗等因素考虑在内。在输入相同功率的情况下，天线在最大辐射方向某一距离 r 处，相对于理想点源在r 处辐射强度的比值。

4、极化方式。描述天线工作方式，极化以电磁辐射电场分量的振荡平面为基础，射频天线通常为线极化或圆极化天线。线极化天线通常为垂直极化或水平极化天线，而圆极化天线为左旋或右旋圆极化天线。

5、天线辐射效率：考虑天线损耗；天线效率：整体考虑，包括天线的导体、介质损耗等。