二战中屡立奇功的英国雷达天线
大家一定都很熟悉天线的英文名称一般叫做 Antenna；其实，它的另一个名称叫 Aerials。所谓 Aerials 就是一条用来发射或接收无线电讯号的长导线。从这个名称可以看出来，实验家们在还没有把天线发扬光大之前，天线原来是什么样子。
下面试着以「以古鉴今」的方式来了解天线，最主要的是希望从中可以看到天线的有趣实验与动脑筋的精神，最后要简略地介绍天线的发展历史……
我们一路回到最早期的无线电时代。在电力未发明以前，所有的机器都以煤油供应，例如以煤油为动力的冰箱就是很好的证明。早期有位实验家，名叫「威尔」 (Whitfield Whire)，他发明的无线电发射机可以发出很大的火花，但讯号却无法发射出去。实际上他发明的发射机是以火花放电原理产生的无线电。但是让他最吶闷的是，试用了无数的方法，就是无法接收到这发射机所发射的讯号。后来是收到了，但讯号很弱。为了更进一步验证电波是否可以穿过桌面，他把发射机摆在桌子底下，为了取得讯号，接收机被吊在桌子上方的天花板上，令他感到意外的是，吊着接收机的这一条导线，竟然使接收机的效率好了许多，因此，他就把吊着的导线留在那里，从此，他就称他的接收机为「无线电接收机」 (WIRELESS SET)，他并且把这一份结果整理成一份报告，发表在美国的 QST 杂志上 (世界上最早的一份业余无线电杂志 )。在这好几年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的实验家发现到，供电给桌子上的台灯有两条导线，但是接收机的天线只有一条，为什么只有一条天线可以表现得那么好，因此他就针对这个问题继绩探讨下去。这个问题自然对他困扰不已，但是事情就是如此之巧，在后来他买了一部车子后，他发现车灯也是使用一条导线而已，当然还有另一条线是接车子的外壳。这就使他想到一个问题：若同样把发射机的其中一条导线接到一个共同的接点，是不是会比较好？所以他就用了一条金属管打入地底下，并且拉出一条线接到发射机上头，这竟然使讯号增强了许多，同样地，他也把这重要的发现发表在 QST 杂志上。他在该文中建议，每一座业余无线电台，都需要有「接地」 (GROWND)。天线的下一个主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 发明的。有一天，当迪普 (戴柏的昵称 ) 走过一个游乐场时，发现当地的狮子会员正在玩跷跷板，他发现这些狮子会员都很快地能保持平衡，想必其中有人运力，使跷跷板在极短的时间内保持平衡。迪普回到家后，马上拿了一条导线接上机器外壳，另一条导线则接到发射机输出，这就成为一组新的天线。其实，此天线也就是后来大家所熟知的「双偶极」 (DIPOLE) 天线，这是为了记念戴柏，而以他的名字来命名。在 QST 杂志上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的欧洲贵族，发现他的台灯不只两条线，而是三条线，因为这国家的电力系统采用 330V，这虽很自然，但是他想到，为什么北美地区使用220V 供电，也要有三条线。这也就促成他发明了「虚接地线」，这理论常时很少人知道，甚至有人对这理论不以为然。不过，今日对天线有兴趣者，必定知道，虚性接地是必须的，而这些「虚接地」通常也称做 COUNTERPOISE，用发明者的名字以资纪念。也在 QST 上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论的「崔伯」(Von Trap)，由于他家空间不够大，无法架设双偶极天线，所以他沿着天线，每隔几英呎左右就绕几个圈，好把过长的部份缠绕起来，并且在缠绕的电感上并联电容，这就是「崔伯双偶极天线」 (TRAP DlPOLE) 的诞生。从美国 QST 杂志发行以来，有关天线的发展史中，最富传奇色彩的是「尼马奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友们都昵称他为 Mo。牠是第一位提出天线理论，探讨有关被馈送到长状天线的功率，有多少不会被辐射出去的物理学家。他为了彻底了解这一理论，想知道功率发射出去约有多少，被反射回来约有多少，因而发明了「驻波比表」 (驻波比 SWR 的现在英文正名为 Standing Wave Ratio。当时是 See What Returns 的缩写，意思是有多少功率被折返。)为了纪念此为驻波比表发明者，以前曾有人把驻波比表称做 MoNimatch。至今，有关驻波比表的制作，依然以此为基础。QST 杂志依例报导了极为成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天线。从上列一路发展下来，像极了印度教的导师精神。后为「雷顿」 (Raoul Random)发现跷跷板上两端物体互异，但是调整距离也可以达到平衡，天线应该也可以像这样，以人工方式调整，达到平衡 (匹配 )。1865年德国物理学家赫兹Hertz (1857-1894, 37岁)建立了第一个天线系统，当时的装配设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用了谐振方环作为接受系统。1901年12月，意大利博洛尼亚研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长波长配备了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的2.5km无线电报。开发了商用无线电，开创了越洋通信。在这些初期的研究上天线获得广泛的关注和应用，其发展大致可划分为三个历史阶段。1901年马可尼在加拿大纽芬兰收到的横渡大西洋由英国康泛尔半岛发来的“S”字母信开辟了无线电远距离通信的新时代。其当时所用发射天线是从48m高的横挂线斜拉下50根铜导线形成的扇形结构，可认为是第一副实用的单极天线，震荡源是70Hz的火花发生器。随后又利用4座木塔架设导线网构成方形单锥天线，如图所示，发射波长1000m。随着20世纪初电子管的发明和发展，这一时期开头利用长波进行通信，随后发展到中波通信，并因电离层的发现，1924年前后开始了短波通信和远程广播。这一时期也建立了线天线的基本理论。二战前夕，微波速调管和磁控管的发明，导致了微波雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线，这些天线都是面天线或称口径天线。此外，还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。战后微波中继通信、广播和射电天文等应用使面天线和线天线技术进一步得到发展、提高。这时期建立了口径天线和基本理论，如几何光学、口径场法等，发明了天线测试技术，开发了天线阵的综合技术。1957年人造地球卫星上天标志着人类进入了开发宇宙的新时代，也对天线提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟踪、快速扫面、宽频带、低旁瓣等。同时，电子计算机、微电子技术和现代材料的进展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。1957年，美国制成了用于精密跟踪雷达AN／FPS-16的单脉冲天线，达0.1密位。1963年出现了高效率的双模喇叭馈源，1966年发明了波纹喇叭，1968年制成了高功率相控阵雷达AN／FPS-85。1972年制成了第一批实用微带天线，并作为火箭和导弹的共形天线开始了应用。近年来还出现了分形天线等小型化天线形式，另一重要进展时发展了天线的信号处理能力，理论上的进展是：创立了矩量法（MOM），时域有限差分法（FDTD）和几何绕射理论（GTD）等分析方法，并已形成商用软件。在天线测量技术方面，发展了微波暗室和近场测量技术，研制了紧缩天线测试场和利用射电源的测试技术，并建立了自动化测试系统。美国F-16歼击机上AN／APG-68火控雷达的相控缝隙阵天线当今，如今天线已广泛应用于移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星气象、遥感等领域。天线技术已具有成熟科学的许多特征，仍然是一个富有活力的技术领域。主要的发展方向是：多功能化（以一代多）、智能化（提供信息处理能力），小型化、集成化及高性能化（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等）。长、中波是以地波和天波传播的，而天波则连续反射于电离层和大地之间。根据此传播特性，长、中波天线应能产生垂直极化的电波。在长、中波天线中，应用较广的的有垂直型、倒L型、T型、伞型垂直接地天线。长、中波天线应有良好的地网。长、中波天线存在着许多技术上的问题，如有效高度小、辐射电阻小、效率低、通频带窄、方向性系数小等。为了解决这些问题，天线结构往往非常复杂，非常庞大。短波主要是借助于电离层反射的天波传播的，是现代远距离无线电通信的重要手段之一。短波天线形式很多，其中应用最多的有对称天线、同相水平天线、倍波天线、角型天线、V型天线、菱形天线、鱼骨形天线等。和长波天线比较，短波天线的有效高度大，辐射电阻大，效率高，方向性良好，增益高，通频带宽。超短波主要靠空间波传播。这种天线的形式很多，其中应用最多的有八木天线、盘锥形天线、双锥形天线、“蝙蝠翼”电视发射天线等 。工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线，统称为微波天线。微波主要靠空间波传播，为增大通信距离，天线架设较高。在微波天线中，应用较广的有抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线、透镜天线、开槽天线、介质天线、潜望镜天线等。定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其它的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性；采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。在各个方向上均匀辐射或接收电磁波的天线，称为不定向天线，如小型通信机用的鞭状天线等。方向性、阻抗和极化特性在一个很宽的波段内几乎保持不变的天线，称为宽频带天线。早期的宽频带天线有菱形天线、V形天线、倍波天线、盘锥形天线等，新的宽频带天线有对数周期天线等。仅在一个很窄的频带内才具有预定方向性的天线，称为调谐天线或称调谐的定向天线。通常，调谐天线仅在它的调谐频率附近5%的波段内，其方向性才保持不变，而在其它频率上，方向性变化非常厉害，以致使通信遭到破坏。调谐天线不适于频率多变的短波通信。同相水平天线、折合天线、曲折天线等均属于调谐天线。垂直天线是指与地面垂直放置的天线。它有对称与不对称两种形式，而后者应用较广。对称垂直天线常常是中心馈电的。不对称垂直天线则在天线底端与地面之间馈电，其最大辐射方向在高度小于1/2波长的情况下，集中在地面方向，故适应于广播。不对称垂直天线又称垂直接地天线。在单根垂直导线的顶部，向各个方向引下几根倾斜的导体，这样构成的天线形状象张开的雨伞，故称伞形天线。它也是垂直接地天线的一种形式。其特点和用途与倒L形、T形天线相同。两部分长度相等而中心断开并接以馈电的导线，可用作发射和接收天线，这样构成的天线叫做对称天线。因为天线有时也称为振子，所以对称天线又叫对称振子，或偶极天线。总长度为半个波长的对称振子，叫做半波振子，也叫做半波偶极天线。它是最基本的单元天线，用得也最广泛，很多复杂天线是由它组成的。半波振子结构简单，馈电方便，在近距离通信中应用较多。是一种宽波段弱定向天线。它是把几根导线围成的空心圆柱体代替对称天线中的单导线辐射体而成的，因其辐射体呈笼形，故称笼形天线。笼形天线的工作波段宽，易于调谐。它适应于近距离的干线通信。属于对称天线的一类，但它的两臂不排列在一条直线上，而成90°或120°角，故称角形天线。这种天线一般是水平装置的，它的方向性是不显著的。为了得到宽波段特性，角形天线的双臂也可采用笼形结构，称角笼形天线。将振子弯折成相互平行的对称天线称为折合天线。有双线折合天线、三线折合天线及多线折合天线几种形式，弯折时，应使各线上各对应点的电流同相，从远处看，整个天线如同一对称天线。但折合天线与对称天线比较，辐射增强。输入阻抗增大，便于与馈线耦合。折合天线是一种调谐天线，工作频率较窄。它在短波和超短波波段获得广泛应用。是由彼此成一角度的两条导线组成，形状象英文字母V的一种天线。它的终端可以开路，也可以接有电阻，其电阻的大小等于天线的特性阻抗。V形天线具有单向性，最大发射方向在分角线方向的垂直平面内。它的缺点是效率低、占地面积大。是一种宽频带天线。它由一个水平的菱形悬挂在四根支柱上构成，菱形的一只锐角接在馈线上，另一只锐角接一与菱形天线特性阻抗相等的终端电阻。在指向终端电阻方向的垂直平面内，具有单向性。菱形天线的优点是增益高、方向性强、使用波段宽、易于架设和维护；缺点是占地面积大。菱形天线经过变形之后，又有双菱形天线、回授式菱形天线及折式菱形天线三种形式。菱形天线一般用于大中型短波收信电台。是一种超短波天线。顶部为一圆盘（即辐射体），由同轴线的心线馈电，下面为一圆锥，接同轴线的外导体。圆锥的作用与无限大的地面相似，改变圆锥的倾斜角度，就能改变天线的最大辐射方向。它有极宽的频带。鱼骨形天线又叫边射天线，是一种专用短波接收天线。由在两根集合线上每隔一定距离连接一个对称振子组成，这些对称振子都是经过一很小的电容器接到集合线上的。在集合线的末端，即对着通信方向的一端，接上一个与集合线特性阻抗相等的电阻，另一端则通过馈线接到接收机上。与菱形天线相比较，鱼骨形天线的优点是副瓣小（也就是主瓣方向接收能力强，在其它方向接收较弱），各天线之间相互影响小，占地较小；缺点是效率低，安装和使用均较复杂。又叫引向天线。它有几根金属棒组成，其中一根是辐射器，辐射器后面一根较长的为反射器，前面数根较短的是引向器。辐射器通常用折迭式半波振子。天线最大辐射方向与引向器的指向相同。八木天线的优点是结构简单、轻便坚固、馈电方便；缺点频带窄、抗干扰性差。在超短波通信和雷达中应用。它有金属板式和金属导线式两种形式。其中，是扇形金属板式，是扇形金属导线式。这种天线由于加大了天线断面积，所以加宽了天线频带。线式扇形天线可以用三根、四根或五根金属导线。扇形天线用于超短波接收。双锥形天线由两个锥顶相对的圆锥体组成，在锥顶馈电。圆锥可以用金属面、金属线或金属网构成。正象笼形天线一样，由于天线的断面积增大，天线频带也随之加宽。双锥形天线主要用于超短波接收。又称号角天线。它是由一段均匀波导和一段截面慢慢增大的喇叭状波导组成。喇叭天线有三种形式：扇形喇叭天线、角锥形喇叭天线及圆锥形喇叭天线。喇叭天线是最常用的微波天线之一，一般用作辐射器。其优点是工作频带宽；缺点是体积较大，而且就同一口径来说，它的方向性不及抛物面天线尖锐。在一块大的金属板上开一个或几个狭窄的槽，用同轴线或波导馈电，这样构成的天线叫做开槽天线，也称裂缝天线。为了得到单向辐射，金属板的后面制成空腔，开槽直接由波导馈电。开槽天线结构简单，没有凸出部分，因此特别适合在高速飞机上使用。它的缺点是调谐困难。介质天线是一根用低损耗高频介质材料（一般用聚苯乙烯）作成的圆棒，它的一端用同轴线或波导馈电。2是同轴线的内导体的延伸部分，形成一个振子，用以激发电磁波；3是同轴线；4是金属套筒。套筒的作用除夹住介质棒外，更主要的是反射电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波，并向介质棒的自由端传播。介质天线的优点是体积小，方向性尖锐；缺点是介质有损耗，因而效率不高。在微波中继通信中，天线往往安置在很高的支架上，因此，给天线馈电就得用很长的馈线。馈线过长会产生许多困难，如结构复杂，能量损耗大，由于在馈线接头处的能量反射而引起失真等。为了克服这些困难，可采用一种潜望镜天线，潜望镜天线由安置在地面上的下镜辐射器和安装在支架上的上镜反射器组成。下镜辐射器一般是抛物面天线，上镜反射器为金属平板。下镜辐射器向上发射电磁波，经过金属平板反射出去。潜望镜天线的优点是能量损耗小、失真小、效率高。主要用于容量不大的微波中继通信中。是一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。连接发射机与天线的一种阻抗匹配网络，叫做天线调谐器。天线输入阻抗随频率而发生很大的变化，而发射机输出阻抗是一定的，若发射机与天线直接连接，当发射机频率改变时，发射机与天线之间阻抗不匹配，就会降低辐射功率。使用天线调谐器，就能使发射机与天线之间阻抗匹配，从而使天线在任何频率上有最大的辐射功率。天线调谐器广泛用于地面、车载、舰载及航空短波电台中。是一种宽频带天线，或者说是一种与频率无关的天线。其中，是一种简单的对数周期天线，它的偶极子长度和间隔符合下列关系：τ偶极子由一均匀双线传输线来馈电，传输线在相邻偶极子之间要调换位置。这种天线有一个特点：凡在f频率上具有的特性，在由τⁿf给出的一切频率上将重复出现，其中n为整数。这些频率画在对数尺上都是等间隔的，而周期等于τ的对数。对数周期天线之称即由此而来。对数周期天线只是周期地重复辐射图和阻抗特性。但是这样结构的天线，若τ不是远小于1，则它的特性在一个周期内的变化是十分小的，因而基本上是与频率无关的。对数周期天线种类很多，有对数周期偶极天线和单极天线、对数周期谐振V形天线、对数周期螺旋天线等形式，其中最普遍的是对数周期偶极天线。这些天线广泛地用于短波及短波以上的波段。
