天线的基本概念

北京理工大学 | 李明健

天线（antenna）：无线电系统中发射或接收电磁波的设备。

天线的功能：

• 能量转换。天线对导波（导行电磁波）和无线电波（空间电磁波）进行相互转换。通常是无源、线性、可逆（可发射也可接收）的。
• 具有方向性。对能量进行空间分配，发射和接收具有方向性。
• 形成极化。能辐射和接收指定的极化波，双极化，频率复用。

天线按辐射元分类：

• 线天线（wire antenna），电流元。| 对称振子及其阵列、环形、螺线、行波长导线。| 长、中、短、超短波（米、分米波）。
• 缝天线（slot antenna），磁流元。| 波导缝隙阵、微带贴片、微带缝隙、微带阵。| 微波。
• 面天线（aperture antenna）或口径天线，惠更斯元。| 喇叭、抛物面、透镜。| 微波。

天线的基本辐射元：

电流元，或赫兹基本振子、赫兹偶极子：一段直线电流微元，$L<\lambda/50$，用 电矩 $IL$ 表示强度，辐射非均匀球面波。

假想引入磁荷和磁流，以便麦克斯韦方程组对称。一个小电流元=垂直该环的小磁流元。

磁流元，或磁基本振子、磁偶极子，一段很短的直线磁流，$L\ll \lambda$，可等效为小电流环。磁流 $I^M$。磁矩 $I^mL=j\omega\mu \pi a_0^2 I$ ，与圆环面积和电流有关，与形状无关。

惠更斯元，面天线口径面上的一个小面元 $ds=dxdy$，其上的电场和磁场都是均匀的。

天线中常用的基本原理：

巴比涅原理（Babinet principle），开口屏后面的场，与其互补结构的场相加，其和等于无屏时的场。

镜像原理，均匀介质中存在无限大理想导体平面，该导体平面的作用可用真实场源在位于该平面另一侧对称位置上的镜像场源来等效。

惠更斯原理，初始波前上的每一点都可看成次级球面波的新波源，这些次级波的包络便构成次级波前。

等效原理，（惠更斯原理更严格的表述，field equivalence principle），若有一假想场源，它在空间某一区域中产生的场，与实际场源产生的场相同，则称这两个场源是 等效 的。

相似原理（缩尺原理），将天线所有尺寸都与波长按相同比例变化，则天线的工作特性保持不变。如天线尺寸缩减到 1/M，波长也减小到 1/M，电导率提高到 M 倍，则场是相似的。实际电导率难以达到，但只要损耗功率小，则电导率带来的误差不大。

以上。