撫順石油化工公司
[拼音]：tianxian
[英文]：antenna
無線電裝置中輻射或（和）接收電磁波的部件。無線電通訊、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙測、遙感、射電天文等工程系統，凡是利用電磁波來傳遞資訊的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非訊號的能量輻射也需要天線。以無線電通訊系統為例，從發射機輸出的高頻功率經傳輸線導送到發射天線，發射天線將高頻功率變換成空間的輻射波；在接收端，接收天線將入射的空間電磁波變換成高頻導波，再經傳輸線導送到接收機。因此，天線可以說是導波和空間波的變換裝置。
一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發射天線，也可用作接收天線。在某些場合，同一天線還可兼作發射和接收天線，如脈衝雷達天線就是如此。同一天線作為發射或接收的基本特性引數是相同的。這就是天線的互易定理。雖然一般天線都具有可逆性，但在設計發射或接收天線時，卻各具有其側重點，例如，發射天線要考慮功率容量問題，而接收天線則要考慮噪聲溫度問題等。天線一般由導電良好的金屬製成，但也有用低損耗介質和金屬組合製成的。天線形狀可以是各種各樣的，最常用的是各種線狀天線（簡稱線天線）和麵狀天線（簡稱面天線，又稱口徑天線），以及它們的組合或陣列。一副天線的尺寸可以長到佔地幾公里，高達幾百米；也可以短到幾毫米，這是就其實際尺寸而言的。但從電的觀點來看，若天線的尺寸比工作波長小很多，則稱之為電小天線，雖然天線的實際尺寸可能非常大。
分類
為了適應各種不同用途的需要，人們設計和研製出各種型別的天線。對於這些天線，可以從不同的角度分類：
（1）按工作性質可分為發射天線和接收天線；
（2）按用途可分為通訊天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等；
（3）按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等；
（4）按結構型式和工作原理可分為線天線和麵天線等。任何一種型式的天線並不專屬於以上某一類，而是常常兼屬幾類。例如，半波振子天線和反射面天線既可用作發射天線，也可用作接收天線；既用於超短波波段，也可以用於微波波段；既可用於通訊，也可用於雷達等。
輻射機理
變速電荷或變化電流都產生輻射，因而都稱為輻射源。因此，要使天線輻射電磁波，就必須在天線上激發變化電流。激發變化電流的方式一般有二：其一是將交變電壓加到天線的輸入端，在天線上產生交變的電流分佈，例如振子天線和螺旋天線的情況；其二是將電磁波入射到天線結構，在天線上產生感應電流分佈，例如反射面天線的情況。前者屬於天線的強迫振盪問題，後者屬於電磁波的散射、繞射問題。
輻射源的基本元素是交變的微分電流元（簡稱電流元）。無論線天線或面天線都可認為是由這些微分電流元所組成。微分電流元在天線各點的幅度、相位和方向都可能不相同，但在每一微分電流元之內，這些量可以認為是相同的。空間某點的電磁場是天線上所有微分電流元在該點所產生的電磁場的向量和或積分。例如在球座標中，位於原點的線電流元idz在其遠區（距離遠大於工作波長的區域）某點P(r，θ，φ)所產生的電磁場可以寫為
式中
是自由空間的傳播常數；λ、ω、ε0和 μ0分別是波長、角頻率、介電常數和磁導率；r是場點P離開電流元的距離；dEθ和dHφ的方向如圖a。
稱為自由空間的波阻抗。此外，還有面電流和體電流形式的輻射源。電流元（或天線）的方向圖(或輻射圖)給出場強幅度或其平方在遠區以電流元（或天線）為中心的球面上的空間分佈。電流元的水平面方向圖和垂直面方向圖分別如圖b和圖c。由圖可見，即使是微分電流元，其方向圖也不是均勻的，而是具有方向性的。
特性參量
任何實際天線都具有方向性，只有理想化的均勻輻射器沒有方向性，它的方向圖是以它為中心的球面。如將均勻輻射器每隔半個波長放置一個，並排列在幾個或十幾個波長的直線上，那麼遠區球面上某點離開這些輻射器的距離稍有不同，這對該點場強的幅度影響很小(因為遠區場強的幅度與距離成反比，而距離遠大於波長，從而在這個大距離上加或減幾個波長作為場強的幅度之分母對幅度影響很小)；但是，相位則大不相同，距離相差半個波長，相位就相差π弧度（反相）。因此，適當地排列這些輻射器，可使遠區場強在某些方向上得到加強而在另一些方向上減弱或相互抵消，這種現象稱為干涉。相同輻射元以一定規律排成各式陣列，稱為陣列天線或天線陣。陣列天線就是利用這種干涉現象以獲得預期的方向性。實際天線可以看成是電流元的連續陣列，干涉現象同樣存在，因而可具有不同的方向性。因此，天線方向性（或方向圖）與天線上的電流分佈有密切關係。有些天線的輻射功率比較集中於一個方向，形成方向圖的主瓣，其他方向的輻射很弱，形成一些小的副瓣。方向圖中只有一個尖銳主瓣的天線稱為強方向性天線，反之則稱為弱方向性天線。為了定量地表徵天線方向性的強弱，採用了方向性係數（見天線方向性）和增益兩個特性參量。
天線的特性參量除方向圖、方向性係數和增益外，還有輸入阻抗、輻射效率、極化和頻頻寬度等。天線的輸入阻抗是天線在饋電點的電壓與電流的比值。知道天線的輸入阻抗，就可以選擇合適的饋線與之相匹配，以便輸送給天線最大功率。天線的輻射功率與輸入功率之比稱為天線的輻射效率。由於天線本身的熱損耗等因素，天線的輻射效率總是小於 1。天線在最大輻射方向上遠區某點所輻射的波的極化也是天線的一個特性參量。輻射線極化波的天線稱為線極化天線，輻射圓極化波的天線稱為圓極化天線。每一副天線都是根據某一中心頻率設計的。若天線的工作頻率偏離中心頻率，天線特性參量的指標就會下降。天線的頻頻寬度就是在規定了特性參量容許變動的幅度之後，工作頻率可以變動的極限範圍。頻頻寬度大的天線稱為寬頻帶天線，反之則稱為窄頻帶天線。
發展過程
最早的發射天線是H.R.赫茲在1887年為了驗證J.C.麥克斯韋根據理論推導所作關於存在電磁波的預言而設計的。它是兩個約為30釐米長、位於一直線上的金屬桿，其遠離的兩端分別與兩個約40釐米2的正方形金屬板相連線，靠近的兩端分別連線兩個金屬球並接到一個感應線圈的兩端，利用金屬球之間的火花放電來產生振盪。當時，赫茲用的接收天線是單圈金屬方形環狀天線，根據方環端點之間空隙出現火花來指示收到了訊號。G.馬可尼是第一個採用大型天線實現遠洋通訊的，所用的發射天線由30根下垂銅線組成，頂部用水平橫線連在一起，橫線掛在兩個支援塔上。這是人類真正付之實用的第一副天線。自從這副天線產生以後，天線的發展大致分為四個歷史時期。
（1）線天線時期:在無線電獲得應用的最初時期，真空管振盪器尚未發明，人們認為波長越長，傳播中衰減越小。因此，為了實現遠距離通訊，所利用的波長都在1000米以上。在這一波段中，顯然水平天線是不合適的，因為大地中的映象電流和天線電流方向相反，天線輻射很小。此外，它所產生的水平極化波沿地面傳播時衰減很大。因此，在這一時期應用的是各種不對稱天線，如倒L形、T形、傘形天線等。由於高度受到結構上的限制，這些天線的尺寸比波長小很多，因而是屬於電小天線的範疇。後來，業餘無線電愛好者發現短波能傳播很遠的距離，A.E.肯內利和O.亥維賽發現了電離層的存在和它對短波的反射作用，從而開闢了短波波段和中波波段領域。這時，天線尺寸可以與波長相比擬，促進了天線的順利發展。這一時期除抗衰落的塔式廣播天線外，還設計出各種水平天線和各種天線陣，採用的典型天線有：偶極天線（見對稱天線）、環形天線、長導線天線、同相水平天線、八木天線（見八木-宇田天線）、菱形天線和魚骨形天線等。這些天線比初期的長波天線有較高的增益、較強的方向性和較寬的頻帶，後來一直得到使用並經過不斷改進。在這一時期，天線的理論工作也得到了發展。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佈。由於數學上的困難，他並未解出這一方程。後來E.海倫利用δ函式源來激勵對稱天線得到積分方程的解。同時，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.金繼海倫之後又對線天線作了大量理論研究和計算工作。將對稱天線作為邊值問題並用分離變數法來求解的有S.A.謝昆穆諾夫、H.朱爾特、J.A.斯特拉頓和朱蘭成等。
（2）面天線時期：雖然早在1888年赫茲就首先使用了拋物柱面天線，但由於沒有相應的振盪源，一直到30年代才隨著微波電子管的出現陸續研製出各種面天線。這時已有類比於聲學方法的喇叭天線、類比於光學方法的拋物反射面天線和透鏡天線等。這些天線利用波的擴散、干涉、反射、折射和聚焦等原理獲得窄波束和高增益。第二次世界大戰期間出現了雷達，大大促進了微波技術的發展。為了迅速捕捉目標，研製出了波束掃描天線，利用金屬波導和介質波導研製出波導縫隙天線和介質棒天線以及由它們組成的天線陣。在面天線基本理論方面，建立了幾何光學法，物理光學法和口徑場法等理論。當時，由於戰時的迫切需要，天線的理論還不夠完善。天線的實驗研究成了研製新型天線的重要手段，建立了測試條件和誤差分析等概念，提出了現場測量和模型測量等方法（見天線參量測量）。在面天線有較大發展的同時，線天線理論和技術也有所發展，如陣列天線的綜合方法等。
（3）從第二次世界大戰結束到50年代末期：微波中繼通訊、對流層散射通訊、射電天文和電視廣播等工程技術的天線裝置有了很大發展，建立了大型反射面天線。這時出現了分析天線公差的統計理論，發展了天線陣列的綜合理論等。1957年美國研製成第一部靶場精密跟蹤雷達AN/FPS-16，隨後各種單脈衝天線相繼出現，同時頻率掃描天線也付諸應用。在50年代，寬頻帶天線的研究有所突破，產生了非頻變天線理論，出現了等角螺旋天線、對數週期天線等寬頻帶或超寬頻帶天線。
（4）50年代以後：人造地球衛星和洲際導彈研製成功對天線提出了一系列新的課題，要求天線有高增益、高解析度、圓極化、寬頻帶、快速掃描和精確跟蹤等效能。從60年代到70年代初期，天線的發展空前迅速。一方面是大型地面站天線的修建和改進，包括卡塞格倫天線的出現，正副反射面的修正，波紋喇叭等高效率天線饋源和波束波導技術的應用等；另一方面，沉寂了將近30年的相控陣天線由於新型移相器和電子計算機的問世，以及多目標同時搜尋與跟蹤等要求的需要，而重新受到重視並獲得了廣泛應用和發展。
到70年代，無線電頻道的擁擠和衛星通訊的發展，反射面天線的頻率複用、正交極化等問題和多波束天線開始受到重視；無線電技術向波長越來越短的毫米波、亞毫米波，以及光波方向發展，出現了介質波導、表面波和漏波天線等新型毫米波天線。此外，在陣列天線方面，由線陣發展到圓陣；由平面陣發展到共形陣；訊號處理天線，自適應天線、合成孔徑天線等技術也都進入了實用階段。同時，由於電子對抗的需要，超低副瓣天線也有了很大的發展。由於高速大容量電子計算機的研製成功，60年代發展起來的矩量法和幾何繞射理論在天線的理論計算和設計方面獲得了應用。這兩種方法解決了過去不能解決或難以解決的大量天線問題。隨著電路技術向整合化方向發展，微帶天線引起了廣泛的關注和研究，並在飛行器上獲得了應用。同時，由於遙感技術和空間通訊的需要，天線在有耗媒質或等離子體中的輻射特性及瞬時特性等問題也開始受到人們的重視。
這一時期在天線結構和工藝上也取得了很大的進展，製成了直徑為 100米、可全向轉動的高精度保形射電望遠鏡天線，還研製成單元數接近 2萬的大型相控陣和高度超過500米的天線塔。
在天線測量技術方面，這一時期出現了微波暗室和近場測量技術、利用天體射電源測量天線的技術，並創立了用計算機控制的自動化測量系統等。這些技術的運用解決了大天線的測量問題，提高了天線測量的精度和速度。
參考書目
任朗：《天線理論基礎》，人民郵電出版社，北京，1980。
謝處方：《電波與天線》第二版，人民郵電出版社，北京，1966。