深入讲解天线原理
原标题：《萌新笔记——天线（原理）》
天线作为微波系统的重要组成部分，也应该成为每一位“电磁CAEer”完善基础理论的重要组成部分。帮助读者在解决日益复杂的系统问题时更加自信和从容。
这篇文章的缘起是从系统学习B站的培训视频《微波技术与天线》开始，随后针对性学习《微波技术与天线》、《天线》、《天线工程手册》等学术专着，结合大量天线对论文的检索研究，业余时间研究了2个月，又花了半个多月消化-吸收-输出，终于写出来了。
本文将兼顾系统与细节，科普与专业并重，理论与实践并重。系统、通俗地介绍各类天线。希望能帮助天线初学者入门和进阶，协助天线工程师查漏补缺。限于作者的专业和认知水平，文中如有偏颇之处，敬请指正。
本文将从四个方面展开：
低阶认知：无论你是从事天线设计的工程师，还是对天线略有兴趣的外行，都应该对天线有一个基本的认识：“什么是天线？天线的作用是什么？有什么用？”它的功能？”你是如何实现这样的功能的？”，作为“底层认知”，是打开“天线世界”之门的钥匙；
分析理论：作为具有一百多年历史的高度工程化的微波器件，其分析和设计离不开扎实的“数学基础”，可分为两大理论群：1）麦克斯韦方程 2）基础由四个基本辐射单元分析理论组成的电磁辐射理论，它们就像分析乐高积木的天线一样，大大简化了分析过程；
工程参数：什么样的设计才是好的设计？光靠“感性认知”是不够的。您需要专业的评估参数和量化指标。这部分将介绍几个重要的项目来评估天线设计的优劣参数，其中包括天线作为微波系统终端的“电路参数”和空间电磁波辐射启动的“空间参数”；
天线族：在“分析理论”和“工程参数”的基础建立之后，我们开始正式分析天线的辐射特性和机制。根据天线的结构特点，文章分为线天线和平面天线两大类，并介绍了八种常见天线的分析方法和辐射机理。分析将根据天线的几个主要工程参数，结合天线上的电流和近场，以最直观的方式展示每根天线的特性和辐射机制。
在日常生活中，天线随处可见，小到家庭路由器、手机设备上的天线，大到通信基站甚至射电望远镜的天线。天线堪称信息时代极其重要的组成部分。那么什么是天线呢？这是为了什么？以及如何实现这些功能？
正如村里的收音机喇叭是声音传输系统的终端，它把声音在电线中以电信号的状态转换成在空间中自由传播的声波；而神经树突是神经系统的末梢，将神经细胞上的感觉电信号转化为游离状态的神经递质。天线是微波系统的终端。它通过将束缚在电缆上的微波信号转换成在自由空间中传播的电磁波来实现无线通信。它是微波系统和自由空间之间的纽带。
不失一般性，我们以天线族中比较简单的偶极子天线为例，介绍天线如何将束缚态的电磁波信号转换为自由辐射的电磁波信号。我们家中常用的路由器上的天线通常是偶极天线的变体。
如图所示，平行双绞线中的电磁波信号束缚在导线周围，只能沿着平行导线的方向进行远距离传输，就像火车束缚在铁轨上一样。
当平行传输线逐渐分裂时，原本束缚在其中的电磁波再也抑制不住，开始向自由空间辐射。过程如下图所示。 （图取自公众号“无线深海”）
天线分析理论包括两个方面：1）：电磁场的基本原理； 2）电磁波辐射的基本理论。
电磁场基础
电磁场基本原理主要涉及天线分析的相关基础理论：1）麦克斯韦方程组； 2）格林函数与叠加原理； 3）互惠原则； 4）惠更斯原理； 5）对偶原则； 6) 巴比内特原则； 7）镜像原理； 8）缩放原则。
电磁波辐射基础理论
电磁波辐射理论主要介绍四种基本辐射模型： 1）基本电子辐射； 2）基本磁振子辐射； 3）基本间隙辐射； 4）基本面元辐射。这四种基本辐射模型是分析各种形式和结构的天线辐射的基础。理论介绍的重点是基本电振荡器辐射的分析过程。下面三个基本模型的分析过程都与基本电振荡器有着千丝万缕的联系。
麦克斯韦方程
1758年，库仑通过实验得出了“库仑定律”。最直观的物理现象规律就是“同性相斥，异性相吸”。量的大小之间存在定量关系，从而引出“电场”的概念，即一种电荷对另一种电荷的力作用是通过电荷在周围空间产生的“电场”来实现的，电荷越大，产生的电场越强，对另一个电荷的作用也就越强，这其实和“光环”是一样的。一个强大的人，会在他的周围产生强大的气场，影响到他身边的人。能力越强，气息越强。强大的。
1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，即运动的电荷（电流）能在其周围空间产生磁场。在接下来的几个月里，Biot、Savart 和 Ampere 给出了磁场和电流的定量分析。关系，即毕奥-萨伐尔公式和“安培环路定理”。
1831年，法拉第通过实验发现了“磁电”现象，即电磁感应定律：变化的磁场可以产生电流。后来天才物理学家麦克斯韦提出了“位移电流”的概念，说明变化的电场也能产生磁场，即“电磁”。
至此，电与磁的关系基本清楚：电荷产生电场，电荷（电流）的运动引起电场变化，电场变化产生磁场，磁场变化产生电场……，以此类推，电场和磁场相互激发，以电磁波的形式向无穷远传播。
麦克斯韦在总结前人实验成果的基础上，以扎实的数学基础将“电”和“磁”定量统一起来。这被誉为最伟大的物理公式——麦克斯韦方程，它的诞生为整个电磁大楼的后续建造奠定了最重要的基础。天线作为微波器件之一，所有分析其辐射特性的理论自然都是基于此。
格林函数与叠加原理
如图所示，格林函数是空间中点源产生的电磁场分布（即波动方程的解）。当一个点源的场（即格林函数）已知时，任何源分布的解都可以通过叠加原理得到。我们可以用小型LED灯泡的光场分布来类比。空间中一个小灯泡产生的光强可以表示为格林函数，空间中由N个小灯泡组成的LED阵列产生的光强可以表示为每个小灯泡产生的光强叠加.
互惠原则
电磁场的互易定理是关于两组源的定理。在一定的介质条件下，两组源的互易关系成立： 1）天线A接收到给定激励后在天线B端得到的电流等于天线B接收到给定激励时在天线A端得到的电流相同的刺激； 2）采用同一天线辐射时的辐射特性，包括远场方向图、天线的有效长度和天线的输入阻抗等，与采用天线时的接收特性相同用于接待。
互易定理在实际工程中应用广泛。例如，在天线测试中，实际工程中很多天线被用作发射天线，但在实际测试中不便继续测试其电磁波。这时可以将它们作为接收天线来测量它们的辐射特性，根据互易定理，测试结果是一样的。
需要注意的是，互易定理的成立对介质的性质有一定的要求。对于不符合要求的材料（铁氧体材料或等离子材料），互易定理不成立。
惠更斯等效原理
惠更斯等效原理表明，如果已知封闭体S表面的场，则可以由S表面的场计算出S外的场，即S外真实源产生的电磁场分布S面可以计算为S面上的Equivalent sources are equivalently generated.即以下两图中虚线外产生的电磁场分布“E”和“H”是一致的。等效原理可以帮助我们更简单地分析喇叭天线、抛物面天线等平面天线。
对偶原则
在麦克斯韦方程组中，只要引入磁荷密度和磁流密度，上述经典麦克斯韦方程组就可以转化为完全对称的广义形式，对应的场具有类似的电磁对应关系。
根据“电”与“磁”的对称关系，在遇到任何电磁关系式时，将方程中虚线以上的电磁参数全部替换为虚线以下的参数，方程仍然成立。
巴比内互补原理
巴比内互补原理描述了具有互补结构和双源的两个电磁场问题的解之间的相互关系。在天线工程中，常用Babinet的互补原理，方便地从已知天线的辐射特性中推导出其互补天线的辐射特性。在散射分析中，也有类似的用途。
无限导体电屏上缝隙天线的辐射特性与互补电偶极子天线的辐射特性互补。该方法可用于分析缝隙天线的辐射特性。
镜像原理
在许多辐射散射问题中，电大金属板存在于源附近。此时金属上方的辐射场可根据镜像原理求解。
在镜像原理中，当无限大的理想导电（磁）平面被去掉后，不仅要有一个对应的镜像源，而且在下半空间也必须有一个对应的镜像散射体。镜面散射体与原散射体的位置和形状以无限大的导电（磁）面对称。需要说明的是，镜像原理只等效于实源所在半空间的场分布，并不等效于像源所在半空间的场分布。电流和磁流置于无穷远 当安装大型PEC和PMC时，图像源的特性如下图所示。
缩放原理
在分析电磁问题时，我们往往关心目标的电尺寸（ ）而不是物理尺寸，这主要是因为标度原理描述了物理尺寸不同但保持相同电尺寸的两个辐射散射问题的场分布尺寸相似度，这也是室内使用比例模型代替全尺寸模型进行RCS测试的理论依据。
定标原理的条件是保持介质的电特性参数（介电常数和磁导率）不随频率变化。在实际的辐射散射问题中，如果介质中的电导率为0，而金属结构中的电导率趋于∞，则可以认为材料的介电常数不随频率变化。此时比例模型中的辐射方向图、天线输入阻抗等都非常接近真实比例方向图和天线输入阻抗。利用场缩放原理，可以在实验室中更准确地模拟和研究大尺度辐射散射问题的场分布。
但是，当介质为有损介质，即电导率不为0，或天馈线中金属导体的电导率不为∞时，随着频率的变化，材料的介电常数会相应变化。原理不成立，定标原理测量造成的输入阻抗大于pattern的误差。
根据麦克斯韦方程求解空间电磁场分布有两种方法，一种是“直接法”，另一种是“间接法”。所谓“直接法”，就是根据目标体上“电流”和“磁流”的分布，直接计算电磁场在空间的分布。这个方法可以在之前的内容《电磁CAE设计师，有必要了解计算电磁学吗？》中找到。 ？ 》，所谓“间接法”就是通过引入中间变量磁位移“A”和电标尺“”来简化波动方程，完成中间变量的求解后，再将电场“E "和磁场"H"以及势函数之间的微分关系来完成电场和磁场分布的求解。其基本思想是通过逐步求解来降低复杂问题的求解难度。其具体实施是：
如果场中只有电荷源和电流源，则：
那么磁场B可以表示为矢量的旋度，即：
引入麦克斯韦方程组，有：
或者
curl为0，可以定义一个标量势
的梯度代替上式括号中的复数向量，使得：
至此，我们建立了电磁场“E”、“H”和中间变量“A”、“
”，利用这个关系，可以将麦克斯韦方程中的“E”和“H”全部替换掉，从而建立“A”和“
" 满足波动方程：
可见，中间变量满足的波动方程形式比“E”和“H”满足的波动方程形式要简单得多。根据“电磁 CAE 设计师，是否有必要了解计算电磁学？” 》文章表明，借助“格林函数”可以快速求出这个方程的解：
得到中间变量的空间分布后，利用“E”、“H”与中间变量的关系就可以得到电磁场在空间中的分布。
基本电振荡器的辐射
场分布
基本电振子：又称电流元或电偶极子，是指无穷小的线性电流单元，即其长度l远小于工作波长。
将电流元件沿球坐标的Z轴放置，圆心在原点，如图，因为电流元件上的电流分布是理想的线电流，则有
，利用磁矢量“A”的求解公式，我们可以得到：
可见，由于电流“J”的方向是沿z方向的，所以磁矢量“A”的方向也只有z方向的分量。根据上式定义的“H”与“A”的关系
，“H”的分布可以计算为：
也就是说，磁场“H”只有“
”方向分量，然后根据麦克斯韦方程
，可以得到空间电场“E”的分布：
即电场“E”只有“R”和“
“ 方向。至此，电流元空间内的电磁场分布计算完毕。
电流
随着时间的推移，电流元件产生的电磁场从场源传播到外层空间，形成电磁波。伴随电磁波向外传播的能量传递，坡印廷矢量表征电磁波传播过程中的功率流密度，定义为：
可以看出坡印亭向量沿“R”方向为实数，沿“
“方向”是一个虚数，说明电磁波在传播过程中，沿径向确实有能量流动，而沿圆周方向，能量以“电场储能”和“电场储能”的形式不断转化。磁场储能”。功率密度表示为：
场分区
电磁场的分布与电流元件的距离“R”密切相关，距离决定了场分布的主要形式。
近场
近场
，马上
（但
), 在这个区域, 电场和磁场的表达式可以近似为:
可见磁场是纯实数，电场是纯虚数，所以坡印亭矢量是纯虚数，说明近场区的能量传递形式主要存在于“电场储能”与“磁场储能”相互转换的形式。
远处的荒（田）野
远场区域是指
，马上
在区域内，在这个区域内，电场和磁场的形式主要由
项，可以忽略高次项，则电场和磁场的表达式可以近似为：
可见，电场只有“”个方向分量，磁场只有“”个方向分量，它们的表达式仅相差“
” 次，且电场和磁场均为纯虚数，则坡印亭矢量为纯实数，即远场的能量传递形式主要为电磁辐射。对于天线的电气性能研究，我们主要研究远场 电场方向图的辐射特性如下图所示为“纺锤形”，以及磁场的远场场强分布形式场与电场一致，区别在于方向垂直于电场方向。
基本磁振子的辐射
根据对偶性原理，通过“基本电振子”的场分布形式可以直接得到基本磁振子的辐射特性：
比较基本电振子的远场分布，电场和磁场的方向图因子（反映方向图的形状）没有变化，只是电场的方向变成了沿“ ”方向，并且磁场的方向变成了沿“ ”方向。
来自基本间隙的辐射
根据巴比内特互补原理，基本间隙和基本电动振动器是互补的。为了得到基本间隙的辐射特性，我们首先计算基本电振子的辐射特性。
由于互补基型电振子为无限薄板振子，其截面周长可视为2d，故基型电振子上的表面电流密度和电流可表示为：
那么，互补基本电振荡器的辐射场为：
与基本电子振荡器对偶的基本磁振子的辐射特性是：
可以看出，基本磁振子的辐射取决于振子表面的切向电场“Et”，而对于基本间隙，如果间隙上施加的电压为
,
，则有：
比较磁振子的方向图特征可以看出：1）基本缝隙天线的辐射方向图与基本磁振子的辐射方向图一致； 2）电场和磁场的方向被替换。
基本表面元素的辐射
平面天线通常由金属表面 S1 和初级辐射体组成。假设封闭曲面S将空间分为两个区域，其中区域I包含源，区域II不包含源，则平面天线的辐射问题转化为孔径S2的辐射，根据惠更斯-菲涅耳原理，孔径面被分成许多面元，称为惠更斯元。
面板上的等效电流和等效磁流分别为：
面板上的电流矩和磁流矩为：
在E平面（yoz平面）上，辐射电场的组成包括等效电流产生的电场和等效磁流源产生的电场两个方面，其中等效电流源产生的辐射电场振荡器是：
等效基本磁振子产生的辐射电场为：
考虑
,
,
也
和
，设dS=dxdy，则总辐射电场可表示为：
同理，H面上的远场辐射场也可得：
这表明惠更斯元在E面和H面的远场辐射场中具有完全一致的形式，可以统一写为：
其方向图如图所示。可以看出，与偶极子阵列的对称取向不同，基本面元的最大增益指向一个方向。
如图所示，天线充当微波设备和自由空间之间的链接。在研究它的功能特性时，我们不仅要注意它作为微波元件的“电路参数”，还要注意它向自由空间辐射电磁波的“电路参数”。场参数”，而两者之间的联系是决定电流在其上分布的结构物理参数，这也是为什么对天线的分析需要使用基于“麦克斯韦方程组”的场分析方法，也需要“等效电路”分析法。
天线方向图作为天线设计中最重要的参数，直接决定了天线辐射方向性能的好坏。波束越窄，天线的定向性能越好。相反，波束越宽，天线的全向性能越好。在不同的场合使用两种不同形式的图案分布。与方向图相关的参数有：
获得
主瓣宽度
旁瓣电平
旁瓣电平
2.效率
由于实际天线中的导体和介质会引入一定的欧姆损耗，天线的辐射功率Pr一般小于天线的输入功率Pin，天线的效率定义为两者之比（ Pd 是功率损耗）。
3.增益系数
为了综合衡量天线的能量转换和方向性性能，通常将方向图系数和天线效率联系起来，引入一个新的特征参数——增益系数。定义为天线最大辐射方向上某一点的功率密度与输入功率相同的非定向天线同一点功率密度的比值。
4.有效长度
为了衡量天线的辐射能力，通常引入天线的有效长度。天线的有效长度定义为在实际天线最大辐射方向的场强值保持不变的情况下，假定天线上的电流均匀分布时的天线长度。长度，它是将天线最大辐射方向的场强与天线电流相关联的参数。
5、输入阻抗
对于线天线，其输入阻抗定义为天线输入端的复电压与复电流之比，复电流为复数，包含实部（电阻）和虚部（电抗）：
6. 天线极化
电磁波是矢量，矢量不仅有大小，还有方向。如果用箭头表示电场矢量（长度表示电场的大小，方向表示方向）。如图所示，随着电磁波的传播，如果箭头的末端一直画一条直线，就是线极化。同样，画圆是圆偏振，画椭圆是椭圆偏振。天线的极化是指它辐射的电磁波的极化。 （图片来自网络）
在介绍了天线的基本理论之后，利用这些理论对几种常见的天线进行了分析。根据天线的结构，主要分为两大类：1）线天线； 2）平面天线。其中，线天线主要介绍：1）振子天线； 2）螺旋天线； 3）导向天线； 4) 非频变天空。平面天线的主要介绍： 1）喇叭天线； 2）抛物面天线； 3）缝隙天线； 4）微带天线。我们希望通过上面提到的分析理论来简单说明一下不同天线的分析方法。同时，结合全波仿真软件，根据不同天线的性能特点，将其工程参数形象化地展示出来，力图让大家快速建立对这些常见天线最直观的认识。
偶极子天线
分析方法
根据基本电振荡器的上述辐射特性，长度为
电振子的远场“电场”和“磁场”分布为：
长度是
半波电振子的远场分布可以利用基本振子的“电场”和“磁场”来分布“线段”
" 积分得到：
辐射机制
半波振子上的电流分布如图所示。电流幅值呈余弦分布，电流方向沿导线方向来回振荡。该电流是电磁辐射的主要原因。
从基本电振子的远场辐射方向图可以看出，电场和磁场的方向图函数是一致的，不同的是电场方向与电流平行，而磁场的方向垂直于电流。其中，E面的方向图为纺锤形，H面的方向图为圆形。
螺旋天线
通过调整螺旋天线的直径d和螺距h等参数，可以实现三种方向图完全不同的天线：1）端射型； 2）侧射式； 3）锥形辐射。
螺旋天线的辐射特性与螺旋线的直径与周长之比有关，当
，天线最大辐射方向为圆形，为侧射型。该模式是普通模式。由于太细，此时的螺旋天线近似为单极天线；什么时候
，即螺旋天线的一圈周长约为一个波长，天线的最大辐射方向沿螺旋轴，为端射型。该模式是轴向模式。此时，螺旋上相邻圆电流相位近似同相，辐射电场沿轴向同相叠加，最终形成端射辐射特性；什么时候
，天线的最大辐射方向将偏离螺旋轴，方向图变为圆锥形，相应形成侧射天线。
下面将着重介绍两种侧射和端射螺旋天线的辐射特性和宽带特性。
螺旋天线 - 正常模式
对于侧射螺旋天线，方向图类似于单极天线。对比一下它上面的电流分布可以发现，电流分布类似于单极天线，属于驻波型，也就是说它的带宽会比较小。狭窄。
螺旋天线 - 轴向模式
当螺旋线的周长约等于一个波长时，天线的方向图如图所示，即端射。与侧射螺旋天线不同，端射螺旋天线具有非常宽的带宽，这种宽带特性可以通过其上的电流分布得到。
螺旋天线工作在低频段时，其上的电流分布呈驻波型。
随着工作频率的提高，其上的电流分布发生明显变化，螺旋上的电流分布分解为流出电流和反射电流。由于反射电流在末端反射后衰减很快，反射电流对不会影响入射电流分布的影响，使得流出波在大部分螺旋的中间区域占主导地位，VSWR很小，它可以在很宽的频率范围内保持非常低的 VSWR。
转向天线
八木天线是一种重要的定向天线。它是由日本东北大学的八木和宇田共同开发的。它的全称是“Yagi-Uda antenna”，简称“八木天线”。广泛应用于米波、分米波段的通信、雷达、电视等无线电技术设备。八木天线的基本结构包括三个：1）有源振子； 2）反射器； 3）导向器，所有振子排列在一个平面内并相互平行，它们的中点固定在一根金属杆上另外，除了主动振子的馈电点与金属杆绝缘外，被动振子接到金属棒短路。由于金属棒垂直于每个振子，金属棒上没有感应电流，不参与辐射。
分析方法
感应电动势法是分析八木天线的基本方法。从John Krause的《天线》中的分析来看，反射振子和导振子被看作是有源振子的“寄生单元”。电流由有源振荡器的场感应产生。
如图所示为振子长度与阻抗的关系。由于互阻抗随振子长度的变化不是很剧烈，八木天线的振子约为半个波长，振子之间的互阻抗主要取决于振子之间的间距。间距一般为0.15~0.4波长，自阻抗主要取决于振子本身的长度： 1）当无源振子的长度大于半个波长时，无源振子“感性”。从图中可以看出R11>0且X11>0，
，即无源振荡器上的电流相位超前有源振荡器
，根据阵列理论，最大辐射方向指向相位滞后的方向，该方向相邻单元间的波程差产生的相位差刚好抵消了电流的相位差，电磁场的有源振子和无源振子指向有源振子的方向同向叠加取最大值，所以沿寄生方向到馈电单元的场强大于相反方向的场强。这个“寄生单元”就是八木天线的反射面； 2）当无源振子的长度小于波长的一半时，无源振子的阻抗为“容性”，R11>0且X11<0，
，即无源振荡器上的感应电流滞后于有源振荡器
，因此沿激发方向到寄生单元的场大于相反方向的场，即导向器。
该图显示了八木天线每个振子上的电流分布。导向器的长度一般比激振单元短5%或更多，导向器上的感应电流也小于主动振子的电流强度。
由于反射面上的感应电流相位超前于有源振子，导向器上的感应电流相位依次滞后，具有慢波结构的面波沿轴向传播，八木天线本质上是端射行波天线。如图所示，对比“半波振子”和“八木天线”的近场分布可以看出，由于“反射面”和“导向面”的作用，大部分电磁波波向导向器一侧传播。每个振动器就像划艇上的每个桨手。只有保持双桨“同频同相”，才能使划艇以最快的速度向一个方向前进。
适当调整天线的几何参数，即振子长度、直径和间距，可以使行波相速度满足增强方向性条件，获得最大的方向性系数。如图所示，正是由于有源振荡器和受激振荡器的“协同作用”，在导向器的方向上产生了很大的增益。
八木天线的优点是结构简单、馈电方便、制造成本低。但其辐射单元由半波振荡器组成，电流分布呈驻波型，带宽较窄，一般在5%以内。
不变天线
宽带基础知识
宽带和窄带有什么区别？如下图（左）所示的具有恒定阻抗的弯曲双锥形V形天线是宽带类型。该天线具有阻抗恒定的传输线（导体间距 S 与半径 r 之比）。如果长度L达到一个以上的波长，则出射波的大部分能量被辐射，只有少量能量被反射。 V形天线是Q值极低的非谐振辐射体，其输入阻抗在很宽的频率范围内基本保持不变。此外，该天线与空间匹配良好，提供从输入传输线的导波到自由空间波的平滑过渡。
相比之下，下图（右）所示的短偶极子在传输线上突然从导波转变为空间波，引起很大的能量反射，围绕偶极子来回振荡，类似于在辐射以前受共振情况的限制。该天线是一种谐振的、Q值相对较高的天线，其输入阻抗随频率迅速变化，属于窄带型。
频率不变性的概念：拉姆齐原理
真正的频率不变天线应该在固定物理尺寸的宽带上同时具有相对恒定的阻抗、方向图、极化和增益。
“如果天线的形状仅由角度决定，则天线具有频率不变的阻抗和波瓣图特性”——拉姆齐原理
无限长的对数螺旋可以满足这个要求。为了实现具有有限结构的非频率变化要求，电流沿该结构的截断以及辐射和衰减应该可以忽略不计。为了产生辐射和衰减，电荷必须被加速（或减速），这需要导体弯曲垂直于电荷运动的方向。因此，由螺旋曲率引起的辐射和衰减使其在被截断时能够在宽频带上提供频率不变性能。
如图所示，随着工作频率的增加，阿基米德螺线上的大电流分布区域向中心迅速缩小。对螺旋上电流分布的定量观察表明，电流从中心向外流动的过程出现得更早。有一个快速下降，然后缓慢波动，接近截止区，电流幅度很小，电流分布形式与工作在轴向模式状态的螺旋天线上的电流分布形式非常相似，正如Krauss所说，由于前面电流的快速衰减，使得电流传播到截止点时可以忽略不计，从而无法产生强烈的反射电流来影响入射电流的幅值，最终天线有了极低的 VSWR（驻波比）。
通过对电流在螺旋上的分布进行积分，可以计算出其图案分布如图所示，其最大辐射方向沿轴线对称分布。
喇叭天线
喇叭天线应用广泛，其工作原理类似于声学中使用的麦克风。该喇叭天线结构简单、馈电方便、频带宽、功率容量大、增益高。喇叭天线常用作微波测试中的校准天线和收发天线。
根据结构和形状，常见的喇叭分为四种类型： 1）H平面喇叭； 2）E平面喇叭； 3）金字塔角； 4）锥形喇叭。本文将围绕“金字塔喇叭”进行讨论。
分析方法
根据上述孔径天线辐射分析的“等效原理”，喇叭天线远场辐射分析可以转化为喇叭处“电场”和“磁场”产生的等效源的辐射分析口表面。如图所示，口径可以分为很多“惠更斯元”dS，每个“惠更斯元”可以相当于一个电振子和一个磁振子。
小号口径可分为许多惠更斯元素
根据“等效面元”分析理论，等效电振子和磁振子分别为：
在E平面（yoz平面）上，辐射电场的组成包括等效电流产生的电场和等效磁流源产生的电场两个方面，其中等效电流源产生的辐射电场振荡器是：
等效基本磁振子产生的辐射电场为：
总辐射电场可表示为：
远区整个孔径的“场分布”产生的辐射场是所有“惠更斯面元”的总和：
辐射机制
如图所示，波导虽然也有一定的方向性，但由于开孔小，增益相对较小，方向性不明显。当在波导中加入锥形喇叭后，天线的增益大大提高10倍绰绰有余（约10dB），波束变得更锐利，方向性明显增强。就像是《功夫》中的包租女，给自己的“狮吼功”加了一个“时钟”，瞬间提升了狮吼功的威力。主要原因不是包租女的功力（波导口的馈电功率）瞬间提升，而是铃铛（金字塔喇叭）的加持，让声波（电磁波）的方向性大大提升，能量大增一定方向的密度。
如图所示，喇叭天线中电磁场的传播过程非常类似于“烟囱冒烟”的过程。当在波导中时，电磁波会老老实实以规则的TE10模式传播，脱离波导约束，进入金字塔截面后，“场分布”开始逐渐扩散，逐渐转变为自由空间传播的TEM模式.
如图所示为金字塔喇叭天线与波导天线在宽带上的“驻波比”对比。结果表明，金字塔的加入仍然显着改善了波导的宽带匹配。原因是，正如John Krauss解释的宽带生成的基础，渐变的角锥使得在波导中传输的“TE10模式”平滑地过渡到自由空间中的“TEM模式”，平滑的转换减少了回声.因此，提高了天线的匹配性能。
当喇叭天线的长度R一定时，是不是口径D越大，天线的增益就越大？事实上，并非如此。从喇叭内电场的相位分布可以看出，电磁波到达喇叭表面时，不是平面波，而是近似球面波。中心与边缘的相位差越大，增加到一定值后会导致天线增益下降。
工程上通常规定E面口径差不大于，H面口径差不大于
，可以获得更好的图案。
孔径上不同位置的相位分布
抛物面天线
抛物面天线的优点是增益极高，缺点是结构尺寸较大，因此常用于卫星通信、天文探测等需要接收微弱信号的工作场景。例如，世界上最大的射电望远镜FAST，位于贵州省，口径甚至达到500米。如此大的孔径旨在探测宇宙中最微弱的信息。
分析方法
抛物面天线的分析方法与喇叭天线的分析方法基本相同，主要是根据“等效原理”，将天线辐射分析转化为“电场”和“电场”产生的等效源的辐射分析。抛物面孔径处的磁场”。分析过程与上述喇叭天线分析过程一致，此处不再赘述。
辐射机制
抛物面天线的结构尺寸主要由：1）焦距OF； 2）直径D； 3）孔径角
.
对比馈源喇叭天线和馈源抛物面天线的近场分布，从图中可以看出，馈源喇叭辐射的电磁场被抛物面反射，在垂直方向形成很强的场强分布抛物面的投影面积。
通过观察抛物面天线的近场相位分布可以看出，位于抛物面焦点处的喇叭馈源辐射的球面电磁波被抛物面反射，最终形成类似于平面的场分布海浪。
正是由于抛物面的会聚作用，使得天线的指向性有了很大的提高。直径30倍波长的抛物面天线在金字塔喇叭馈电下可实现40dBi的波束增益。
缝隙天线
分析方法
根据基本单元辐射分析中的“基本缝隙辐射理论”，可以比较容易地得出波导缝隙天线的辐射分析方法。
上述基本间隙远区辐射场的计算公式为：
式中“Et”为槽间电场分布，则对槽长为“L”的波导槽天线的辐射特性可以通过对基本槽的辐射场进行积分得到：
辐射机制
要想波导上的狭缝产生辐射，狭缝的“位置”和“方向”是很有讲究的。如图所示，它们是等尺寸波导中的磁场分布和波导表面的电流分布。由表面电流与切向磁场的关系可知，磁场呈“Vortex-like”形式。
”，因此表面电流在每个循环中都是“径向”的。
为了获得有效的辐射，间隙的方向需要平行于“磁场”，才能垂直于“电流”，这样才能有效地切断“电流”，切断“电流”在间隙较宽的一侧的两侧形成“电压”。差”，从而激发间隙中的位移电流”
”，从上面的理论分析可以看出，间隙之间的电场“”是产生间隙辐射的根本原因。
我们会发现，在磁场最大的地方，波导上的缝隙并没有完全打开。这主要是因为，作为缝隙阵列天线的每个单元，考虑到阵列综合形成满足要求的方向图，每个缝隙的辐射功率和相位需要满足一定的关系，而功率和相位主要是通过调整狭缝的位置来实现。
由于耦合关系，半波磁振子和半波电振子的辐射方向图是一致的，只是“电场”和“磁场”的方向相反，波导缝隙阵列的方向图是每个槽沿纵向的相干叠加，从而在波导的圆周方向形成窄光束。
微带天线
微带天线是一类平面印刷电路天线，其主要优点是重量轻、高度低（薄）、成本低和易于制造。它在民用（如汽车防撞雷达）和军用（如战斗机火控雷达）上都有广泛的应用。
分析方法
如图所示为侧馈方式馈电的微带天线，其厚度为h，宽度为W，长度
，微带贴片上的电流分布使其与金属地之间产生电压差，从而在边缘与地之间形成位移电流，相当于两个长度为W的半波磁振子的辐射。
通过对基本磁控管的辐射分布进行积分，可以得到半波磁控管的远场辐射特性，即：
在
和
分别是基本磁子远场“电场”和“磁场”的分布。
辐射机制
介绍完微带天线的分析方法，大家有没有想过为什么微带天线的辐射相当于半波磁振子来分析呢？不能直接根据补丁上的电流来分析吗？
如前文提到的“镜像原理”所示：无穷大PEC上的切向电流
将产生大小相等且反向的镜像电流
，而切向磁流
会产生等幅同方向的镜像磁流
，使得切向电流和镜像电流相互抵消，切向磁流和镜像电流的叠加加强。回到微带天线，因为贴片太薄，金属地线以上的电流会因为其等幅反相“镜像电流”的相互抵消而辐射不出来。
现在，我们分析一个简单的矩形贴片上的“电流”和“近场”分布，直观地了解微带天线的辐射机理。该图显示了微带金属贴片上的电流分布。从图中可以看出，电流从馈电点（图中电流最密集的区域）流出，沿着金属贴片的短边流动。当前流向与patch一致，如果平行于patch的窄边，则不会被截断，但如果垂直于patch的宽边，则被截断。波导缝隙天线的辐射机制。我们知道，被截断的电流会以“位移电流”的形式传播，而“位移电流”就相当于“磁流”产生辐射。
位移电流"
"是电场随时间的变化，是"
”，因此需要研究天线附近区域的电场分布，分别对微带天线进行“纵切”和“横切”。
纵向切割时，近场动态图如图所示。可以看出，在金属贴片的宽边与接地金属地之间形成了强烈的位移电流分布，位移电流分为“法向分量”和垂直于地面的垂直分量。平行于地面的“切向分量”单独分析。从图中可以看出：位移电流的法向分量幅值近似相等，方向相反，辐射相互抵消；位移电流的切向分量幅值近似相等，方向相同，辐射相互叠加。
横切时，从近场分布动态图可以看出，在金属贴片的两个宽边形成了一条非常耀眼的“亮带”。 “亮带”中的电场方向垂直于宽边，因此可以等效为两个间距为半个波长的“缝隙”，缝隙天线的计算公式可以套用到计算其远场分布。
PEC上的两个等幅同相槽的增益应约为半波振荡器增益的4倍。对比微带天线和半波振子的方向图，增益基本满足4倍的关系。
本文是微波基础 - 天线原理。主要介绍天线的基础认知、分析理论、工程参数等。在此基础上，介绍了常见天线的分析方法和辐射机理。希望能帮助读者建立一个循序渐进的完整结构。天线知识体系。
当然，这些不都是天线知识体系。现代天线工程设计工具有了长足的进步，完全依靠理论计算分析和工程经验的设计方法对设计者的素质和设计周期的要求都非常重要。高，完全无法适应这个高速发展的信息时代，基于CAD、CAE等大量优秀工程软件的快速设计，基于矢量网络分析仪等强大测量设备的产品测量，极大地加速了研究和天线产品的发展速度。
下一篇文章将是天线的实践。文章将主要介绍： 1）几种主流的天线仿真计算CAE软件及其各自的优缺点； 2）基于CAE软件的天线设计操作流程及注意事项； 3）天线测试相关工具和测试方法。
参考
《微波技术与天线》，视频B站，主讲人：朱海亮（西北工业大学）；
《微波技术与天线》，学术专着，作者：周喜朗（东南大学）；
天线（第三版），学术专着，作者：John Krause（美国）；
《天线工程手册（第三版）》，学术专着，作者：聂再平（电子科技大学）；
《广角覆盖阿基米德螺旋天线的设计与研究》，学位论文，作者：葛旭旭（西安电子科技大学）；
《基于FEKO的圆形抛物面天线电性能分析系统开发》，学位论文，作者：白倩（西安电子科技大学）；
"Design Simulation and Testing of Yagi Antenna", dissertation, author: Chang Yuanyuan (Beijing Jiaotong University);
《金字塔喇叭天线近场增益研究》，学位论文，作者：沉祥平（华南理工大学）；
《弹载四臂螺旋天线及覆盖球束阵列设计》，学位论文，作者：王亮（西安电子科技大学）；
《通俗易懂！看完你就是半个天线专家》，公众号文章，来源：《无线深海》；
本文来自微信公众号：电磁CAEer（ID：lb1661057986），作者：刘冰