天线(卷名：电子学与计算机)
antenna
无线电设备中辐射或（和）接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥测、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。以无线电通信系统为例，从发射机输出的高频功率经传输线导送到发射天线，发射天线将高频功率变换成空间的辐射波；在接收端，接收天线将入射的空间电磁波变换成高频导波，再经传输线导送到接收机。因此，天线可以说是导波和空间波的变换装置。
一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。在某些场合，同一天线还可兼作发射和接收天线，如脉冲雷达天线就是如此。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。虽然一般天线都具有可逆性，但在设计发射或接收天线时，却各具有其侧重点，例如，发射天线要考虑功率容量问题，而接收天线则要考虑噪声温度问题等。天线一般由导电良好的金属制成，但也有用低损耗介质和金属组合制成的。天线形状可以是各种各样的，最常用的是各种线状天线（简称线天线）和面状天线（简称面天线，又称口径天线），以及它们的组合或阵列。一副天线的尺寸可以长到占地几公里，高达几百米；也可以短到几毫米，这是就其实际尺寸而言的。但从电的观点来看，若天线的尺寸比工作波长小很多，则称之为电小天线，虽然天线的实际尺寸可能非常大。
分类 为了适应各种不同用途的需要，人们设计和研制出各种类型的天线。对于这些天线，可以从不同的角度分类:①按工作性质可分为发射天线和接收天线;②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等；③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等；④按结构型式和工作原理可分为线天线和面天线等。任何一种型式的天线并不专属于以上某一类，而是常常兼属几类。例如，半波振子天线和反射面天线既可用作发射天线，也可用作接收天线；既用于超短波波段，也可以用于微波波段；既可用于通信，也可用于雷达等。
辐射机理 变速电荷或变化电流都产生辐射，因而都称为辐射源。因此，要使天线辐射电磁波，就必须在天线上激发变化电流。激发变化电流的方式一般有二：其一是将交变电压加到天线的输入端，在天线上产生交变的电流分布，例如振子天线和螺旋天线的情况；其二是将电磁波入射到天线结构，在天线上产生感应电流分布，例如反射面天线的情况。前者属于天线的强迫振荡问题，后者属于电磁波的散射、绕射问题。
辐射源的基本元素是交变的微分电流元（简称电流元）。无论线天线或面天线都可认为是由这些微分电流元所组成。微分电流元在天线各点的幅度、相位和方向都可能不相同，但在每一微分电流元之内，这些量可以认为是相同的。空间某点的电磁场是天线上所有微分电流元在该点所产生的电磁场的矢量和或积分。例如在球坐标中，位于原点的线电流元idz在其远区（距离远大于工作波长的区域）某点P(r，θ，φ)所产生的电磁场可以写为
式中
是自由空间的传播常数；λ、ω、ε0和 μ0分别是波长、角频率、介电常数和磁导率；r是场点P离开电流元的距离；dEθ和dHφ的方向如图a。 
称为自由空间的波阻抗。此外，还有面电流和体电流形式的辐射源。电流元（或天线）的方向图(或辐射图)给出场强幅度或其平方在远区以电流元（或天线）为中心的球面上的空间分布。电流元的水平面方向图和垂直面方向图分别如图b和图c。由图可见，即使是微分电流元，其方向图也不是均匀的，而是具有方向性的。
特性参量 任何实际天线都具有方向性，只有理想化的均匀辐射器没有方向性，它的方向图是以它为中心的球面。如将均匀辐射器每隔半个波长放置一个，并排列在几个或十几个波长的直线上，那么远区球面上某点离开这些辐射器的距离稍有不同，这对该点场强的幅度影响很小(因为远区场强的幅度与距离成反比，而距离远大于波长，从而在这个大距离上加或减几个波长作为场强的幅度之分母对幅度影响很小)；但是，相位则大不相同，距离相差半个波长，相位就相差π弧度（反相）。因此，适当地排列这些辐射器，可使远区场强在某些方向上得到加强而在另一些方向上减弱或相互抵消，这种现象称为干涉。相同辐射元以一定规律排成各式阵列，称为阵列天线或天线阵。阵列天线就是利用这种干涉现象以获得预期的方向性。实际天线可以看成是电流元的连续阵列，干涉现象同样存在，因而可具有不同的方向性。因此，天线方向性（或方向图）与天线上的电流分布有密切关系。有些天线的辐射功率比较集中于一个方向，形成方向图的主瓣，其他方向的辐射很弱，形成一些小的副瓣。方向图中只有一个尖锐主瓣的天线称为强方向性天线，反之则称为弱方向性天线。为了定量地表征天线方向性的强弱，采用了方向性系数（见天线方向性）和增益两个特性参量。
天线的特性参量除方向图、方向性系数和增益外，还有输入阻抗、辐射效率、极化和频带宽度等。天线的输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。知道天线的输入阻抗，就可以选择合适的馈线与之相匹配，以便输送给天线最大功率。天线的辐射功率与输入功率之比称为天线的辐射效率。由于天线本身的热损耗等因素，天线的辐射效率总是小于 1。天线在最大辐射方向上远区某点所辐射的波的极化也是天线的一个特性参量。辐射线极化波的天线称为线极化天线，辐射圆极化波的天线称为圆极化天线。每一副天线都是根据某一中心频率设计的。若天线的工作频率偏离中心频率，天线特性参量的指标就会下降。天线的频带宽度就是在规定了特性参量容许变动的幅度之后，工作频率可以变动的极限范围。频带宽度大的天线称为宽频带天线，反之则称为窄频带天线。
发展过程 最早的发射天线是H.R.赫兹在1887年为了验证J.C.麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。G.马可尼是第一个采用大型天线实现远洋通信的，所用的发射天线由30根下垂铜线组成，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个支持塔上。这是人类真正付之实用的第一副天线。自从这副天线产生以后，天线的发展大致分为四个历史时期。
① 线天线时期:在无线电获得应用的最初时期，真空管振荡器尚未发明，人们认为波长越长，传播中衰减越小。因此，为了实现远距离通信，所利用的波长都在1000米以上。在这一波段中，显然水平天线是不合适的，因为大地中的镜像电流和天线电流方向相反，天线辐射很小。此外，它所产生的水平极化波沿地面传播时衰减很大。因此，在这一时期应用的是各种不对称天线，如倒L形、T形、伞形天线等。由于高度受到结构上的限制，这些天线的尺寸比波长小很多，因而是属于电小天线的范畴。后来，业余无线电爱好者发现短波能传播很远的距离，A.E.肯内利和O.亥维赛发现了电离层的存在和它对短波的反射作用，从而开辟了短波波段和中波波段领域。这时，天线尺寸可以与波长相比拟，促进了天线的顺利发展。这一时期除抗衰落的塔式广播天线外，还设计出各种水平天线和各种天线阵，采用的典型天线有：偶极天线（见对称天线）、环形天线、长导线天线、同相水平天线、八木天线（见八木-宇田天线）、菱形天线和鱼骨形天线等。这些天线比初期的长波天线有较高的增益、较强的方向性和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。在这一时期，天线的理论工作也得到了发展。H.C.波克林顿在1897年建立了线天线的积分方程，证明了细线天线上的电流近似正弦分布。由于数学上的困难，他并未解出这一方程。后来E.海伦利用δ函数源来激励对称天线得到积分方程的解。同时，A.A.皮斯托尔哥尔斯提出了计算线天线阻抗的感应电动势法和二重性原理。R.W.P.金继海伦之后又对线天线作了大量理论研究和计算工作。将对称天线作为边值问题并用分离变量法来求解的有S.A.谢昆穆诺夫、H.朱尔特、J.A.斯特拉顿和朱兰成等。
② 面天线时期：虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进了微波技术的发展。为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵。在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不够完善。天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法（见天线参量测量）。在面天线有较大发展的同时，线天线理论和技术也有所发展，如阵列天线的综合方法等。
③ 从第二次世界大战结束到50年代末期：微波中继通信、对流层散射通信、射电天文和电视广播等工程技术的天线设备有了很大发展，建立了大型反射面天线。这时出现了分析天线公差的统计理论，发展了天线阵列的综合理论等。1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带天线。
④ 50年代以后：人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题，要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等性能。从60年代到70年代初期，天线的发展空前迅速。一方面是大型地面站天线的修建和改进，包括卡塞格伦天线的出现，正副反射面的修正，波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等；另一方面，沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世，以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要，而重新受到重视并获得了广泛应用和发展。
到70年代，无线电频道的拥挤和卫星通信的发展，反射面天线的频率复用、正交极化等问题和多波束天线开始受到重视；无线电技术向波长越来越短的毫米波、亚毫米波，以及光波方向发展，出现了介质波导、表面波和漏波天线等新型毫米波天线。此外，在阵列天线方面，由线阵发展到圆阵；由平面阵发展到共形阵；信号处理天线，自适应天线、合成孔径天线等技术也都进入了实用阶段。同时，由于电子对抗的需要，超低副瓣天线也有了很大的发展。由于高速大容量电子计算机的研制成功，60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用。这两种方法解决了过去不能解决或难以解决的大量天线问题。随着电路技术向集成化方向发展，微带天线引起了广泛的关注和研究，并在飞行器上获得了应用。同时，由于遥感技术和空间通信的需要，天线在有耗媒质或等离子体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视。
这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展，制成了直径为 100米、可全向转动的高精度保形射电望远镜天线，还研制成单元数接近 2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔。
在天线测量技术方面，这一时期出现了微波暗室和近场测量技术、利用天体射电源测量天线的技术，并创立了用计算机控制的自动化测量系统等。这些技术的运用解决了大天线的测量问题，提高了天线测量的精度和速度。
参考书目
任朗：《天线理论基础》，人民邮电出版社，北京，1980。
谢处方：《电波与天线》第二版，人民邮电出版社，北京，1966。