天線是如何發(fā)射和接收電磁波的？

在這個信息飛速流轉(zhuǎn)的時代，無線通信早已像空氣一般，融入我們生活的每個角落。當你隨時隨地用手機刷著短視頻、玩著在線游戲，或是在家中享受著流暢的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)帶來的便利，又或是打開電視觀看精彩節(jié)目時，有沒有想過，這些便捷的無線體驗背后，究竟是什么在默默發(fā)揮作用？答案就是 —— 天線。

手機，作為我們最親密的電子伙伴，內(nèi)置的天線雖小巧隱蔽，卻肩負著接收和發(fā)送通信信號的重任，讓我們無論身處何方，都能與世界緊密相連；家中的 WiFi 路由器，那一根根或筆直或彎曲的天線，就像信號的使者，將網(wǎng)絡(luò)信號擴散到房間的每一處，為各種智能設(shè)備搭建起通往互聯(lián)網(wǎng)的橋梁 ；還有曾經(jīng)在屋頂高高聳立的電視天線，它們以獨特的姿態(tài)，捕捉著空中的電視信號，為我們帶來豐富多彩的視聽盛宴。

天線，這個看似普通的設(shè)備，卻如同無線通信世界的魔法棒，施展著神奇的力量，讓信息能夠在空氣中自由穿梭。但你是否好奇，這小小的天線究竟是如何做到接收和發(fā)射電磁波信號的呢？接下來，就讓我們一起深入探索天線的奇妙世界，揭開它神秘的面紗。

No.1 什么是電磁波？

在深入了解天線的工作奧秘之前，我們先來認識一下它的 “親密伙伴”—— 電磁波。電磁波，就像是信息世界中的無形使者，默默地在空氣中穿梭，承載著我們的語音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息，讓世界緊密相連。

（一）電磁波的本質(zhì)

從物理學的角度來看，電磁波是一種能量的表現(xiàn)形式，它由相互垂直且同相振蕩的電場和磁場在空間中衍生發(fā)射而形成，是以波動形式傳播的電磁場 ，并且具有波粒二象性。你可以把它想象成一場奇妙的 “雙人舞”，電場和磁場就是兩位默契十足的舞者，它們相互配合，以光速在空間中翩翩起舞。

當電流在導體中快速變化時，就會引發(fā)周圍電場的變化，而變化的電場又會激發(fā)出磁場，變化的磁場再反過來激發(fā)電場，如此循環(huán)往復，就像多米諾骨牌一樣，形成了向外傳播的電磁波。這個傳播過程不需要任何介質(zhì)，即使在真空中，電磁波也能以約 30 萬公里每秒的速度飛馳。也正因如此，我們才能接收到來自遙遠宇宙深處的天體所發(fā)出的電磁波信號，探索宇宙的奧秘。

（二）電磁波如何搭載信息？

那么，電磁波是如何將我們的各種信息傳遞出去的呢？這就涉及到一個關(guān)鍵的技術(shù) —— 調(diào)制。簡單來說，調(diào)制就是把我們想要傳遞的信息，如聲音、圖像、數(shù)據(jù)等，搭載到高頻的電磁波上的過程 ，就如同把貨物裝載到一輛高速行駛的列車上，讓它帶著信息駛向遠方。常見的調(diào)制方式有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。

調(diào)幅，就像是給電磁波穿上了一件 “變胖變瘦” 的衣服。在調(diào)幅過程中，載波的頻率和相位保持不變，而它的振幅會隨著調(diào)制信號（也就是我們要傳輸?shù)男畔ⅲ┑淖兓兓?。比如，當你對著話筒說話時，聲音信號會使載波的振幅相應改變，這樣帶有聲音信息的調(diào)幅波就被發(fā)射出去了。AM 廣播就是利用調(diào)幅技術(shù)來傳輸語音信號的，大家平時收聽的中波、短波廣播，很多都是采用這種方式。

調(diào)頻，則是讓電磁波跳起了 “節(jié)奏不同的舞蹈”。在調(diào)頻時，載波的振幅保持恒定，但其頻率會隨著調(diào)制信號的變化而改變 。當調(diào)制信號的強度增大時，載波的頻率就會升高；反之，頻率則降低。由于調(diào)頻信號的瞬時頻率與調(diào)制信號成線性關(guān)系變化，同時瞬時相位與調(diào)制信號的積分成線性關(guān)系，這使得調(diào)頻信號具有更好的抗干擾性能。像我們常聽的 FM 廣播，就利用了調(diào)頻技術(shù)，它能夠為我們帶來更清晰、穩(wěn)定的音質(zhì)，讓我們享受高質(zhì)量的音樂和節(jié)目。

調(diào)相，是使載波的相位隨著調(diào)制信號的變化而變化 。調(diào)相調(diào)制與調(diào)頻調(diào)制密切相關(guān)，調(diào)相時會有調(diào)頻發(fā)生，反之亦然 。這種調(diào)制方式在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有著廣泛的應用，比如在數(shù)字通信中，通過對載波相位的精確控制，可以高效、準確地傳輸大量的數(shù)據(jù)信息。

通過這些調(diào)制方式，電磁波就成功地搭載上了各種信息，然后以光速向四面八方傳播。當它們到達接收端時，又會通過解調(diào)技術(shù)，把原來的信息從電磁波中提取出來，這樣我們就能接收到對方發(fā)送的語音、看到清晰的圖像，或者獲取到所需的數(shù)據(jù)了。

三、天線如何接收電磁波？

了解了電磁波這個 “信息使者” 后，我們就可以深入探討天線是如何接收電磁波信號的了。這一過程就像是一場神奇的魔法，天線將無形的電磁波轉(zhuǎn)化為有形的電信號，讓我們能夠獲取其中承載的信息。

（一）電場耦合效應

當電磁波的電場分量到達天線時，就像一陣微風吹過平靜的湖面，會在天線元件間激起層層漣漪，誘導出瞬時電勢差。以常見的偶極子天線為例，它由兩個對稱的金屬臂組成，當電場作用于這兩個金屬臂時，由于電場的作用，金屬臂中的電子會發(fā)生移動，從而在兩個臂之間產(chǎn)生電勢差 ，就如同在兩個極板之間施加了電壓，這兩個金屬臂就相當于電容器的極板。隨著電場強度隨時間不斷變化，就像湖面的漣漪不斷起伏，在天線兩端感應出相應的交流電壓 。這就好比我們在蕩秋千，秋千的擺動幅度會隨著外力的變化而改變，天線兩端的電壓也會隨著電場強度的變化而波動。

（二）磁場耦合效應

與此同時，電磁波的磁場分量也在發(fā)揮作用。當磁場分量穿過具有電感特性的天線元件時，就像一個旋轉(zhuǎn)的磁場靠近閉合導體，會在其中產(chǎn)生感應電流。這是因為變化的磁場能夠在導體內(nèi)激發(fā)渦電流，就如同在一個靜止的池塘中投入一塊石頭，會激起一圈圈的水波。以環(huán)形天線為例，當變化的磁場穿過環(huán)形天線時，會在環(huán)形天線中產(chǎn)生感應電流，這個電流的大小和方向會隨著磁場的變化而變化 。這種磁場耦合效應與我們?nèi)粘Ｉ钪械?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%98%E5%8E%8B%E5%99%A8/">變壓器原理相似，變壓器通過電磁感應，將一次側(cè)的電能傳輸?shù)蕉蝹?cè)，而天線則通過磁場耦合，將電磁波中的能量轉(zhuǎn)化為感應電流。

（三）阻抗匹配的關(guān)鍵作用

為了最大限度地吸收電磁波的能量，天線需要與特定頻率范圍的電磁波產(chǎn)生共振效應，這就涉及到一個重要的概念 —— 阻抗匹配。我們可以把天線想象成一個挑剔的食客，它只對特定頻率 “口味” 的電磁波感興趣。當電磁波的頻率與天線的固有頻率相匹配時，天線就會產(chǎn)生共振，此時天線的感抗和容抗達到平衡，就像天平的兩端保持平衡一樣，天線能夠最大限度地吸收能量?。在這種共振狀態(tài)下，天線就如同一個高效的能量收集器，能夠?qū)㈦姶挪ǖ哪芰坑行У剞D(zhuǎn)化為可用的交變電流，也就是射頻電流。如果天線與電磁波的阻抗不匹配，就好像一個人穿著不合腳的鞋子跑步，會導致能量傳輸效率低下，信號接收質(zhì)量變差。例如，在無線電通信中，如果天線的阻抗與接收機的輸入阻抗不匹配，就會導致信號反射，降低接收靈敏度，影響通信質(zhì)量。

（四）接收電路的協(xié)同工作

天線感應出的射頻電流還只是初步的信號，要想還原出原始的信息，還需要接收電路中其他元件的協(xié)同工作。這些射頻電流就像一群帶著秘密情報的信使，通過天線的饋電線傳輸?shù)浇邮諜C內(nèi)部 。在接收機內(nèi)部，首先會遇到放大器，放大器就像一個熱情的 “擴音器”，會對微弱的射頻電流信號進行放大，讓它們更有 “力量”；接著，信號會經(jīng)過濾波器，濾波器如同一個嚴格的 “門衛(wèi)”，會濾除其他不需要的頻率成分，只留下我們需要的信號；最后，經(jīng)過解調(diào)電路，就像一個專業(yè)的 “翻譯官”，把調(diào)制在射頻信號上的原始信息提取出來，還原為我們能夠理解的語音、圖像或數(shù)據(jù)等信號 。通過這一系列的處理，我們就能夠接收到遠方傳來的各種信息，實現(xiàn)無線通信的神奇之旅。

四、天線發(fā)射信號：從電信號到電磁波的飛躍

了解了天線接收信號的神奇過程后，我們再來探索一下它是如何將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去的，這同樣是一場充滿奧秘的奇妙之旅。

（一）激勵源與電流驅(qū)動

天線發(fā)射信號的第一步，是與發(fā)射設(shè)備緊密相連，這個發(fā)射設(shè)備通常是一個射頻發(fā)生器或放大器 ，它就像是信號的 “發(fā)動機”，能夠產(chǎn)生特定頻率的交變電流，為整個發(fā)射過程提供動力。發(fā)射機通過饋線，比如常見的同軸電纜，將含有信息的高頻交變電流源源不斷地饋送到天線 。這就好比將充滿能量的 “燃料” 輸送到火箭中，為火箭的發(fā)射做好準備。這些高頻交變電流在天線內(nèi)部的導體中歡快地流動，就像一群充滿活力的小精靈，帶著各種信息，準備開啟它們的奇妙之旅。

（二）電磁場的產(chǎn)生與輻射

當高頻交變電流在天線內(nèi)流動時，一場神奇的物理變化就開始了。根據(jù)法拉第電磁感應定律和安培定律，導體周圍的電場和磁場會隨著電流的強度和方向變化而不斷變化 。電場是由電荷運動形成的，而磁場是由電流產(chǎn)生的，它們就像一對形影不離的伙伴，相互影響，相互作用。隨著電流的快速變化，電場和磁場也在不斷地交替變化，就像一場永不停歇的舞蹈，這種變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成了電磁場。

當天線的尺寸與所傳輸?shù)碾姶挪úㄩL相近或符合特定比例關(guān)系時，比如對于半波偶極子天線，其長度大約為波長的一半，天線就成為了一個有效的輻射體 。此時，天線上的電流分布會使電磁場向外擴散，就像平靜的湖面被投入一顆石子，激起的漣漪不斷向外蕩漾。這些向外擴散的電磁場在離開天線進入自由空間后，便形成了在空間中傳播的電磁波，帶著我們想要傳輸?shù)男畔ⅲ怨馑傧蛩拿姘朔斤w馳而去 。

（三）天線性能對發(fā)射的影響

天線的性能對于電磁波的發(fā)射起著至關(guān)重要的作用。首先是天線的增益，它反映了天線輻射電磁波的能力，增益越高，天線就能夠?qū)⒏嗟哪芰考械教囟ǚ较蛏陷椛涑鋈ィ盘栆簿湍軌騻鞑サ酶h 。就像一個聚光燈，增益高的天線能夠?qū)⒐饩€聚焦得更集中，照亮更遠的地方。比如在衛(wèi)星通信中，高增益的拋物面天線可以將信號準確地發(fā)射到太空中的衛(wèi)星上，實現(xiàn)遠距離的通信。

天線的極化方式也很關(guān)鍵，極化是指電磁波中電場的振動方向 。常見的極化方式有水平極化、垂直極化和圓極化等。發(fā)射天線和接收天線的極化方式需要匹配，才能實現(xiàn)有效的通信。如果極化方式不匹配，就好像兩個人一個說中文，一個說英文，很難進行有效的溝通，會導致信號的衰減和失真 。例如，在移動通信中，手機天線通常采用垂直極化方式，以保證與基站天線之間的良好通信。

天線的方向性也不容忽視，它決定了電磁波的輻射和接收范圍 。定向天線具有較高的方向性，能夠?qū)㈦姶挪邢蛞粋€特定的方向輻射，適合用于需要遠距離通信的場景 ，比如雷達天線，它可以將電磁波集中發(fā)射到特定的方向，探測遠距離的目標。而全向天線則可以在水平方向上均勻地輻射電磁波，適用于需要廣泛覆蓋的場景，如 WiFi 路由器的天線，它可以向周圍各個方向發(fā)射信號，為多個設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)連接。

設(shè)計良好的天線就像一個訓練有素的運動員，能夠高效地將輸入的電能轉(zhuǎn)化為電磁輻射能，最大限度地減少能量損失，讓電磁波能夠攜帶信息，穩(wěn)定、準確地傳輸?shù)竭h方。

五、影響天線接收和發(fā)射信號的因素

天線接收和發(fā)射信號的過程并非一帆風順，會受到諸多因素的影響，這些因素就像一道道關(guān)卡，決定著天線性能的優(yōu)劣，進而影響著我們無線通信的質(zhì)量。

（一）天線自身參數(shù)

尺寸與頻率

天線的尺寸與它的工作頻率緊密相關(guān)。根據(jù)公式L = C / 2f)（其中L表示天線長度，C為光速，f是天線的工作頻率），我們可以直觀地看出，頻率越高，波長越短，天線也就可以做得越短 。例如，在高頻的 5G 通信中，由于其工作頻率較高，對應的天線尺寸就相對較小，能夠輕松地集成在小巧的手機內(nèi)部。而在低頻的長波通信中，為了達到良好的性能，天線往往需要做得很長。這是因為當導體長度為1/4波長的整數(shù)倍時，該導體在該波長的頻率上呈諧振特性 ，導體長度為1/4波長時為串聯(lián)諧振特性，導體長度為1/2波長呈并聯(lián)諧振特性 。在這種諧振狀態(tài)下，天線輻射強，發(fā)射接收轉(zhuǎn)換效率高 。如果天線尺寸與工作頻率不匹配，就像鞋子不合腳一樣，會導致信號接收和發(fā)射效果大打折扣。比如，在一些老舊的收音機中，如果天線被損壞或縮短，就可能無法接收到某些頻段的廣播信號。

形狀與方向性

天線的形狀多種多樣，常見的有偶極子天線、環(huán)形天線、拋物面天線等，每種形狀都有其獨特的方向性 。偶極子天線在垂直于天線軸的方向上輻射和接收信號最強，而在天線軸方向上幾乎沒有信號 ；環(huán)形天線則對垂直于環(huán)面方向的磁場較為敏感，常用于接收微弱的磁場信號 ；拋物面天線就像一個信號的 “聚光鏡”，它能夠?qū)㈦姶挪邢蛞粋€特定的方向輻射或接收，具有很強的方向性，常用于衛(wèi)星通信、雷達等需要遠距離、高精度通信的場景 。不同形狀的天線適用于不同的應用場景，選擇合適形狀的天線對于提高通信質(zhì)量至關(guān)重要。例如，在城市中，由于建筑物密集，信號容易受到阻擋和干擾，此時全向性較好的偶極子天線可能更適合用于移動通信基站，以保證信號能夠覆蓋更廣泛的區(qū)域；而在衛(wèi)星通信中，為了準確地與太空中的衛(wèi)星進行通信，就需要使用方向性極強的拋物面天線，將信號精確地對準衛(wèi)星。

材質(zhì)與導電性

天線的材質(zhì)主要影響其導電性和電磁波的傳輸效率 。良好的導電材料，如銅、鋁等金屬，能夠有效地傳導電流，減少信號傳輸過程中的能量損耗 。銀雖然是導電性最好的金屬，但由于成本較高，一般較少用于大規(guī)模的天線制造。而一些導電性較差的材料，如鐵，會導致較大的電阻，使得信號在傳輸過程中能量損失增加，降低天線的性能 。此外，一些新型材料，如石墨烯，由于其獨特的電學性質(zhì)和高導電性，在天線領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應用價值 。在選擇天線材質(zhì)時，需要綜合考慮成本、導電性、穩(wěn)定性等多方面因素。例如，在一些對成本要求較高的消費電子產(chǎn)品中，通常會選擇價格相對較低且導電性較好的銅作為天線材料；而在一些對性能要求極高的軍事、航天領(lǐng)域，可能會采用特殊的合金材料或新型材料，以滿足嚴苛的使用條件。

（二）環(huán)境因素

大氣吸收和散射

：當電磁波在大氣中傳播時，會與大氣中的各種成分發(fā)生相互作用，導致信號的衰減。大氣中的氧氣、水蒸氣等分子會吸收特定頻率的電磁波，將其能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而使信號強度減弱 。在毫米波頻段，由于其波長較短，更容易被大氣中的水蒸氣吸收，導致信號在傳播過程中迅速衰減，這也是毫米波通信在長距離傳輸時面臨的一個挑戰(zhàn) 。大氣中的塵埃、煙霧等微小顆粒還會對電磁波產(chǎn)生散射作用，使電磁波的傳播方向發(fā)生改變，一部分信號無法直接到達接收天線，從而降低了信號的接收強度和質(zhì)量 。在霧霾天氣中，由于空氣中懸浮顆粒增多，無線通信信號的質(zhì)量往往會受到明顯影響，手機信號可能會變?nèi)?，WiFi 網(wǎng)絡(luò)也可能出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

障礙物阻擋

：在我們的日常生活中，建筑物、山脈、樹木等障礙物無處不在，它們就像一個個 “攔路虎”，阻擋著電磁波的傳播 。當電磁波遇到障礙物時，會發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象 。如果障礙物的尺寸遠大于電磁波的波長，大部分電磁波會被反射回去，只有一小部分能夠繞過障礙物繼續(xù)傳播，這就會在障礙物后面形成信號較弱的陰影區(qū)域 。在城市高樓林立的環(huán)境中，建筑物對信號的阻擋非常明顯，導致室內(nèi)某些區(qū)域的信號很差，甚至無法接收到信號 。為了克服障礙物阻擋的影響，我們通常會采用增加天線高度、使用信號中繼器等方法，讓信號能夠更好地傳播。例如，在一些山區(qū)，為了保證手機信號的覆蓋，會在山頂?shù)雀咛幵O(shè)置基站，以減少山體對信號的阻擋；在大型建筑物內(nèi)部，會安裝多個信號中繼器，將信號接力傳輸?shù)礁鱾€角落。

多徑效應

：多徑效應是指電磁波在傳播過程中，由于受到反射、折射等因素的影響，會通過多條不同的路徑到達接收端 。這些不同路徑的信號在接收端相互疊加，可能會導致信號的相位和幅度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生干擾，影響通信質(zhì)量 。在城市環(huán)境中，由于建筑物的反射作用，多徑效應尤為明顯。接收端接收到的信號可能是直接來自發(fā)射端的信號，也可能是經(jīng)過多次反射后的信號，這些信號的到達時間和相位各不相同，會使信號產(chǎn)生衰落、失真等問題 。為了應對多徑效應，現(xiàn)代通信系統(tǒng)采用了多種技術(shù)，如分集接收技術(shù)，通過多個天線接收不同路徑的信號，然后進行合并處理，以提高信號的可靠性；還有均衡技術(shù)，通過對接收信號進行處理，補償多徑效應造成的信號失真。

（三）信號特性

頻率

不同頻率的電磁波在傳播特性和與天線的相互作用上存在差異 。低頻電磁波的波長較長，具有較強的繞射能力，能夠繞過較大的障礙物，傳播距離較遠，但數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低 。中波廣播使用的頻率較低，信號可以傳播較遠的距離，覆蓋范圍廣，適合進行大范圍的廣播通信 。高頻電磁波的波長較短，傳輸損耗較大，傳播距離相對較近，但數(shù)據(jù)傳輸速率高，適合進行高速數(shù)據(jù)傳輸 。5G 通信采用了高頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足人們對高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大帶寬應用的需求 。在選擇通信頻率時，需要根據(jù)具體的應用場景和需求來權(quán)衡。例如，在物聯(lián)網(wǎng)應用中，由于傳感器節(jié)點通常需要長時間工作且數(shù)據(jù)量較小，對信號的覆蓋范圍和功耗要求較高，因此會選擇低頻段的通信技術(shù)；而在智能手機的高速數(shù)據(jù)傳輸中，為了滿足用戶對快速上網(wǎng)的需求，就會采用高頻段的通信技術(shù)。

功率

發(fā)射信號的功率大小直接影響信號的傳播距離和接收質(zhì)量 。發(fā)射功率越強，信號能夠傳播的距離就越遠，在接收端的信號強度也就越高 。但發(fā)射功率也不能無限制地增大，一方面，過大的發(fā)射功率會增加能源消耗，對設(shè)備的電源和散熱系統(tǒng)提出更高的要求；另一方面，過高的發(fā)射功率還可能會對其他無線設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響整個無線通信環(huán)境的穩(wěn)定性 。在一些偏遠地區(qū)，為了保證通信信號的覆蓋，基站會適當提高發(fā)射功率；而在人口密集的城市中，為了避免干擾，基站的發(fā)射功率會受到嚴格控制，同時通過增加基站數(shù)量等方式來保證信號覆蓋和通信質(zhì)量。

調(diào)制方式

不同的調(diào)制方式對信號的抗干擾能力和傳輸效率有不同的影響 。調(diào)幅（AM）信號的抗干擾能力較弱，容易受到噪聲的影響，導致信號失真，但它的調(diào)制和解調(diào)過程相對簡單，成本較低 。中波廣播中的 AM 廣播，在遇到干擾時，聲音質(zhì)量可能會受到明顯影響 。調(diào)頻（FM）信號具有較好的抗干擾性能，能夠在一定程度上抵抗噪聲的干擾，保證信號的質(zhì)量，常用于高質(zhì)量的音頻廣播 。像我們收聽的 FM 音樂廣播，音質(zhì)通常比較清晰 。在數(shù)字通信中廣泛應用的相移鍵控（PSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）等調(diào)制方式，能夠在有限的帶寬內(nèi)傳輸更高的數(shù)據(jù)速率，但它們對信號的相位和幅度的準確性要求較高，解調(diào)過程也相對復雜 。在 5G 通信中，就采用了高階的 QAM 調(diào)制技術(shù)，以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。

六、天線技術(shù)的發(fā)展歷程與前沿動態(tài)

（一）發(fā)展歷程回顧

天線的發(fā)展歷程，猶如一部波瀾壯闊的科技史詩，見證了人類對無線通信不斷探索與突破的歷程。1887 年，德國物理學家海因里希?赫茲為了驗證麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預言，設(shè)計出了世界上第一個天線系統(tǒng) 。他采用終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，以諧振方環(huán)作為接收天線，成功完成了首次無線電波的收發(fā)實驗，這一創(chuàng)舉為天線技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，也拉開了天線發(fā)展的序幕。

在早期的無線電通信中，由于真空管振蕩器尚未發(fā)明，人們普遍認為波長越長，傳播過程中的衰減越小，更有利于實現(xiàn)遠距離通信 。因此，最初使用的波長大多在 1000 米以上，在這個頻段，水平天線并不適用，因為大地中的鏡像電流與天線電流方向相反，會導致天線輻射很小，而且水平極化波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大 。于是，各種不對稱天線應運而生，如倒 L 形、T 形、傘形天線等 。這些天線的尺寸相對波長較小，屬于電小天線的范疇。隨著業(yè)余無線電愛好者發(fā)現(xiàn)短波能夠傳播很遠的距離，以及電離層的存在和對短波的反射作用被揭示，短波波段和中波波段領(lǐng)域得以開辟，天線尺寸也可以與波長相比擬，這極大地促進了天線的發(fā)展 。這一時期，除了抗衰落的塔式廣播天線外，還設(shè)計出了各種水平天線和天線陣，像偶極天線、環(huán)形天線、長導線天線、同相水平天線、八木天線、菱形天線和魚骨形天線等，這些天線具有較高的增益、較強的方向性和較寬的頻帶，在后續(xù)的通信發(fā)展中得到了廣泛應用，并不斷改進 。同時，天線的理論工作也取得了重要進展，H. C. 波克林頓在 1897 年建立了線天線的積分方程，證明了細線天線上的電流近似正弦分布，雖然當時由于數(shù)學上的困難未能解出該方程，但為后續(xù)的研究提供了重要的基礎(chǔ) 。此后，E. 海倫利用 δ 函數(shù)源來激勵對稱天線得到積分方程的解，A. A. 皮斯托爾哥爾斯提出了計算線天線阻抗的感應電動勢法和二重性原理，R. W. P. 金對線天線作了大量理論研究和計算工作，S. A. 謝昆穆諾夫、H. 朱爾特、J. A. 斯特拉頓和朱蘭成等將對稱天線作為邊值問題并用分離變量法來求解，這些理論研究不斷完善了天線的理論體系。

20 世紀 30 年代初至 50 年代末，是天線發(fā)展的面天線時期 。二戰(zhàn)前夕，微波速調(diào)管和磁控管的發(fā)明，催生了微波雷達的出現(xiàn)，厘米波得以廣泛應用，無線電頻譜得到了更充分的利用 。為了滿足微波通信頻帶寬、容量大、方向性強等要求，人們開始研制各種面天線，如拋物面天線、透鏡天線等 。這些面天線利用波的擴散、干涉、反射、折射和聚焦等原理，能夠獲得窄波束和高增益，成為微波通信領(lǐng)域的重要組成部分 。同時，波導縫隙天線、介質(zhì)棒天線、螺旋天線等也相繼出現(xiàn) 。戰(zhàn)后，微波中繼通信、廣播和射電天文等應用的興起，進一步推動了面天線和線天線技術(shù)的發(fā)展與提高 。在這一時期，口徑天線的基本理論得以建立，如幾何光學、口徑場法等，天線測試技術(shù)也得到了發(fā)明，天線陣的綜合技術(shù)也得到了開發(fā)，這些技術(shù)的進步為天線的設(shè)計和優(yōu)化提供了更強大的支持。

20 世紀 50 年代至今，天線技術(shù)迎來了大發(fā)展時期 。1957 年人造地球衛(wèi)星上天，標志著人類進入了開發(fā)宇宙的新時代，這對天線提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟蹤、快速掃面、寬頻帶、低旁瓣等 。與此同時，電子計算機、微電子技術(shù)和現(xiàn)代材料的飛速進展，為天線理論與技術(shù)的發(fā)展提供了必要的基礎(chǔ) 。1957 年，美國制成了用于精密跟蹤雷達 AN/FPS - 16 的單脈沖天線，精度達到 0.1 密位 ；1963 年出現(xiàn)了高效率的雙模喇叭饋源，1966 年發(fā)明了波紋喇叭，1968 年制成了高功率相控陣雷達 AN/FPS - 85 ；1972 年制成了第一批實用微帶天線，并作為火箭和導彈的共形天線開始應用 。近年來，還涌現(xiàn)出了分形天線等小型化天線，以及智能天線、多輸入多輸出（MIMO）天線等新型天線技術(shù)，這些新技術(shù)不斷拓展著天線的應用領(lǐng)域和性能邊界。

（二）現(xiàn)代天線技術(shù)趨勢

小型化

隨著電子設(shè)備的不斷小型化和便攜化，對天線尺寸的要求也越來越高。為了滿足這一需求，科研人員和工程師們采用了多種技術(shù)來實現(xiàn)天線的小型化 。比如，通過優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用新型的材料和制造工藝，使得天線在保持性能的前提下，體積大幅減小 。一些手機廠商通過巧妙的內(nèi)部布局和先進的印刷電路技術(shù)，將天線集成在極小的空間內(nèi)，既不影響手機的外觀設(shè)計，又能保證良好的通信性能 。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，柔性天線的出現(xiàn)為其小型化和集成化提供了可能，這些天線可以像織物一樣柔軟，能夠輕松地集成到衣物或手環(huán)等設(shè)備中 。

智能化

智能天線技術(shù)是現(xiàn)代天線發(fā)展的一個重要方向 。它能夠根據(jù)通信環(huán)境的變化，如信號強度、干擾情況、用戶位置等，自動調(diào)整天線的波束形狀和指向 ?；局械闹悄芴炀€可以實時監(jiān)測周圍手機用戶的分布和信號需求，動態(tài)地調(diào)整波束方向，將信號精準地發(fā)送給目標用戶，同時避免對其他用戶產(chǎn)生干擾 。這種智能化的調(diào)整不僅提高了通信的質(zhì)量和效率，還增強了系統(tǒng)的抗干擾能力和抗多徑效應，能夠在復雜的通信環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能 。

多頻段

現(xiàn)代通信系統(tǒng)往往需要支持多種不同的通信標準和頻段，以滿足不同應用場景的需求 。多頻段天線應運而生，它能夠在多個頻段上工作，實現(xiàn)不同頻段信號的接收和發(fā)射 。一款手機天線需要同時支持 2G、3G、4G、5G 等多種通信頻段，以及 WiFi、藍牙等其他無線通信頻段 。通過采用特殊的天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，如加載匹配電路、使用復合振子等，多頻段天線能夠在不同頻段上都保持較好的性能，實現(xiàn)多種通信功能的集成 。

高增益

在一些需要遠距離通信或?qū)π盘枏姸纫筝^高的場景中，如衛(wèi)星通信、深空探測、遠距離雷達等，高增益天線至關(guān)重要 。高增益天線能夠?qū)㈦姶挪芰考性谔囟ǚ较蛏陷椛洌瑥亩岣咝盘柕膫鞑ゾ嚯x和強度 。大型拋物面天線在衛(wèi)星通信中被廣泛應用，它通過將信號聚焦在一個狹窄的波束內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)與遙遠衛(wèi)星之間的可靠通信 。新型的高增益天線還在不斷研發(fā)中，一些采用了超材料技術(shù)的天線，通過對材料電磁參數(shù)的精確調(diào)控，有望實現(xiàn)更高的增益和更優(yōu)異的性能 。

在 5G 通信時代，大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）天線技術(shù)成為關(guān)鍵 ?；就ㄟ^部署大量的天線單元，可以同時與多個用戶設(shè)備進行通信，極大地提高了通信容量和頻譜效率 。5G 手機也采用了多天線技術(shù)，以增強信號接收能力，實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸 。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，天線技術(shù)的發(fā)展為海量設(shè)備的連接提供了支持 。小型化、低功耗的天線能夠方便地集成到各種傳感器和智能設(shè)備中，實現(xiàn)設(shè)備之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸 。智能家居中的智能燈泡、智能插座等設(shè)備，都內(nèi)置了小型天線，通過無線網(wǎng)絡(luò)與家庭網(wǎng)關(guān)連接，實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)交互 。

總結(jié)

天線，這個在無線通信領(lǐng)域默默耕耘的 “幕后英雄”，以其獨特的工作原理，實現(xiàn)了電磁波信號的高效接收和發(fā)射，成為現(xiàn)代通信、科技發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它不僅讓我們的手機、電腦等設(shè)備能夠隨時隨地連接網(wǎng)絡(luò)，暢享信息時代的便利，還在航空航天、雷達探測、物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，深刻地改變了我們的生活方式和社會的發(fā)展進程。

隨著科技的不斷進步，天線技術(shù)也在持續(xù)創(chuàng)新和演進。未來，我們有理由期待天線能夠在更廣泛的領(lǐng)域展現(xiàn)出更為強大的功能。在 6G 通信的探索中，天線將朝著更高頻率、更大帶寬、更低功耗的方向發(fā)展，為實現(xiàn)更高速、更穩(wěn)定、更智能的通信提供有力支持；在萬物互聯(lián)的時代，天線將助力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實現(xiàn)更緊密、更高效的連接，讓智能家居、智能交通、智能醫(yī)療等場景變得更加普及和便捷 ；在深空探測領(lǐng)域，高增益、高可靠性的天線將幫助人類捕捉來自宇宙深處的微弱信號，揭開宇宙更多的奧秘 。

天線，就像一條無形的紐帶，連接著世界的每一個角落，讓信息的傳遞變得無處不在。讓我們共同期待天線技術(shù)在未來綻放出更加絢爛的光彩，為人類的發(fā)展創(chuàng)造更多的可能。