01
什么是輻射？ 要介紹什么是天線，首先需要了解什么是輻射。
假設空間中有如下一對正負電荷，在某一時刻在某種外力的作用下保持靜止； 空間中各點的力是平衡的； 如下所示：
兩個電荷之間的藍色箭頭線是它們之間的電力線示意圖。 此時，兩個電荷之間存在電場，電勢能分布在空間各點； 并且電場勢能在空間中的分布是不均勻的。 兩個電荷直接相連的位置是勢能最集中的地方； 兩個電荷距離越遠，勢能越集中。 電場較弱的地方，電勢能也相對較弱。 這種電場和電勢能的不均勻分布就是這對相反電荷的平衡狀態； 換句話說，這對相反的電荷將它們的大部分能量限制在它們附近的區域； 如果沒有外部干預，這種狀態將會持續下去。
接下來我們分析一下異性電荷運動的變化過程。
為了分析電荷對運動時電場和電勢能的變化，以及它們產生的磁場的變化，我們對電力線進行了簡化，否則線路會太多而且會顯得雜亂； 簡化后，如下圖所示。
電荷復合過程中電磁場轉移示意圖
如上左圖所示，我們只取其中幾條電源線作為代表，仍然用藍色箭頭線表示。
釋放兩個電荷，讓電荷在靜電引力的作用下相互靠近； 如圖，小黑圈為感應磁場方向，?代表垂直于紙張向內方向的方向，⊙代表垂直于紙張向外方向的方向。 我們都知道這個在高中物理學過的。
帶箭頭的紅線是感應磁場和感應電場，箭頭表示電場的方向。 紅色小圓圈是感應電場和感應磁場，方向也是垂直于紙面，向內或向外。 這里的量有點多了，不過都是高中物理的內容，就是磁嵌套電，電嵌套磁。 如果仔細梳理一下，后面的分析就簡單了。
圖中相反電荷對復合運動過程中，感應電場力（紅色虛線）阻止了電荷的復合運動（與原來藍色電場方向相反，如上右圖所示）； 這種阻力逐漸消耗兩個電荷之間的空間。 電勢能，消耗的能量轉化為空間磁場勢能（用小黑圈?和⊙表示）； 這就是電磁作用的過程。
同時，感應電場在削弱兩個電荷之間電場的同時，也試圖加強遠離電荷的電場（如圖中藍色虛線和紅色虛線有同一方向）。 換句話說，這個過程試圖減少原本電場比較強的區域。 電場減弱，導致原本電場比較弱的空間內的電場增大。 而這個增強的電場會繼續產生磁場，并將磁場移得更遠（用紅色小圓圈?和⊙表示）。
換句話說，在這個過程中，空間中的能量分布將轉移到遠離異性電荷對的區域，并趨于空間平均。 這符合系統平衡的原則； 這是振蕩電荷輻射電磁場的最基本原理。 。
而且，當這對異性電荷完全重新結合時，它們原有的電場能量（藍色箭頭電力線示意圖）消失，而原有的電勢能以磁場能量的形式分布在各個點在空間中（右側的每個小黑圓圈 ? 和 ⊙）。 由于感應磁場的存在，其感應電場（上圖中紅色虛線帶箭頭）不會立即消失。 這些感應電場將繼續推動相反電荷的運動，試圖再次分離電荷對。 這就是磁力發電的原理。 過程。
如果此時電荷對附近的磁場可以將相反的電荷對再次分離到原來的位置（極性互換）； 那么這種電轉磁、磁轉電的相互轉化過程將永遠持續下去。
事實上，這是不可能的，因為在復合過程中平均空間能量的努力使得電荷附近的能量集中度比以前要少。 直觀上，部分磁場轉移到距離電荷對太遠的地方，此時它們對電荷的作用力太弱，可以忽略不計。
能夠繼續參與磁電過程的磁場能量，在能量轉換過程中會再次轉換為電場，并被約束在電荷對附近； 而一些距離太遠太弱而無法參與磁電過程的磁場就會脫離這個電荷對的約束； 這是輻射場。
假設上面藍色虛線內的磁場可以再次參與磁電產生的過程，并繼續轉化為電場； 而藍色虛線之外的磁場將永遠消失； 這將場分為近場（能量存儲）和遠場（輻射場）。
事實上，這種近場和遠場的分布和比例是相對固定的（當然是動態的）。 如果有一個外力不斷地給這個相反的電荷對補充能量，讓其維持這種振蕩，就會不斷向外傳遞電磁場，這就是輻射。 相反，如果有一個外部電磁場從外到內，不斷參與電荷對振蕩的過程，電荷對就有能力向外做功。 這就是接收過程。
這是電荷與電磁場相互作用的微觀機制，也是輻射或天線最基本的微觀機制。
可見，輻射是振蕩電荷對的基本特性，而不是我們特定的設置賦予了它這種能力。
那么為什么普通傳輸線中的電荷對不會輻射呢？
02
傳輸線對輻射的約束作用：假設下面是傳輸線的示意圖。 上下導體中存在一對相反的電荷，這也與傳輸線中的情況一致。 我們只需要把上面討論的一對電荷對放在上下傳輸線上即可； 當然，上下傳輸線中相反電荷對的位置是互換的； 然后將它們產生的場疊加在一起。
左上圖為靜止狀態下的情況。 藍色和淺藍色虛線分別代表上部和下部相反電荷對的電場。
我們看到，導線外部的電場方向（灰線代表上下導線）總是以相反的方向抵消，而導線之間的電場方向總是以相同的方向相加。 也就是說，與自由電荷不同，傳輸線上下導線中的相反電荷對是相互約束的，使得電場分布在導線之間，而導線外基本沒有電場分布（考慮到傳輸線上的上下導線非常接近）。
重復最初討論的相反電荷對從靜止到復合的運動過程； 此時，上下導線中的兩對電荷同時運動，兩對相反電荷對產生的場也疊加。 這里的字段有點多，但基本原理是完全相同的。
此時的磁場分布如上右圖所示，圓圈為磁場示意圖（用?和⊙表示）。 我們直接看場的方向。 此時，還有上下電荷對產生的磁場。 在線外，方向始終相反且衰減（? 和 ⊙ 相互抵消）。 兩條線被加強是因為它們具有相同的方向（僅?）。 同時，上下導線之間的電場（帶箭頭的紅色虛線）也得到加強，因為它與相應位置的相反電荷的電場方向相同。
也就是說，在傳統的傳輸線中，由于上下導體中的電荷產生的場是相互約束的，因此傳輸線之間的磁場和電場都受到約束。 這使得不可能通過第一部分中引入的振蕩電荷將場轉移到太空中遙遠的地方。 這就是傳輸線中的振蕩電荷不能輻射的原因。
知道了傳輸線不能輻射的原因，設計天線就簡單了。 只要破壞傳輸線的約束即可！
03
破壞約束條件：如何破壞上下導體對傳輸線施加的場約束？ 簡單來說，就是“拆開”傳輸線，使上下導體中的場不能重疊并將場暴露在自由空間中。 示意圖如下：
這里純粹是為了直觀和便于理解，直接將上下導體“分開”，而場分布保持不變； 這樣做是為了讓大家看清楚，上下導體已經失去了相互制約的條件。 實際的場分布會在上下導體之間重新調整，比圖中顯示的要復雜一些； 但并不影響定性層面上對這個問題的討論，我們暫時以寬松的方式來看待。
如上圖所示，兩個獨立導體中的異性電荷場不再能夠相互抑制并相互抵消。 在遠離導體的空間中將會存在一個振蕩電荷場。 根據之前對振蕩電荷對的分析可知，這個空間的電場會繼續“平均”到更遠的空間，形成輻射。 該源僅用于補充每個周期中損失的能量，使電荷對在每個振蕩周期中始終保持相同的分離幅度。
事實上，天線的基本原理確實可以理解為只是“拆散”傳輸線。
難道只是“拆開”天線的問題嗎？ 當然這還不夠。
04
共振：實際上，在振蕩電荷對形成的遠場和近場中，遠場所占的比例很小； 也就是說，每個周期輻射出去的能量很小，大部分能量都被限制為能量存儲。 在近場。 尤其是在實際應用中，由于空間等條件的限制，想要“破解”是不可能的； 因此，無法避免場因疊加而受到約束，輻射的能量較少。
解決這個問題的辦法就是共振：我們需要大量的電荷對同時同步振蕩，將各個電荷對的微弱輻射場疊加起來，形成相當大的輻射； 這需要建造一個共振結構。
如何構建共振結構？ 看下圖：
如上圖所示，沿導體傳輸的行波信號每個周期都有一個正半周期和一個負半周期； 當我們在半波位置進入負半周時，我們將波“折疊”，負半周+反向折疊，就可以與正半周信號同相，從而達到疊加結果。 如果繼續以同樣的方式折疊，就可以“堆疊”許多這樣的半波，形成強大的同時同步振蕩。 這就是上圖想要表達的意思。 聽起來很高端，但實際上是通過使用半波長線來實現的。
那么共振波可以無限疊加嗎？
顯然不是，現實中不存在無限的事物； 一個更合理的問題是，什么時候疊加？
打個比方，你把一車蘋果拉到某個市場去賣，就能得到一萬元。 蘋果本身的成本加上運費和人工成本為9500元。 每次拉動你就賺500； 如果用2輛車同時拉，每次拉，賺1000，同時拉3輛車，每次拉15000。 。 。 。 。 但你總共只有 10 輛車。 當你用完10輛車并且無法添加更多車輛時，每次拉動賺取5000將是一種穩定的長期運輸方式。
對于天線來說，當源每個周期可以提供的能量等于諧振結構在沒有周期中損失的能量（包括輻射和天線損耗）時，疊加停止，諧振達到平衡。 下圖是諧振結構從啟動到平衡的示意圖：
上圖中藍色曲線代表源的幅度，紅色曲線代表天線（半波長導體）中“堆疊”的信號幅度； 當每個周期輻射出去的“堆積”能量等于源的功率時，源就沒有繼續向上“堆積”的能力，系統達到穩定狀態。
天線工作時，源本身的幅值較小，而天線上的振蕩電流幅值較大，幅值取決于天線的Q值。 對于高Q值的窄帶天線，天線內的振蕩幅度是驚人的； 此時，導體中振蕩電流的損耗和支撐天線的介質中天線末端電場的損耗都很大。 我曾經遇到過天線末端的電場會燒毀支撐天線的塑料介質的情況。
05
什么是天線：至此，我們終于可以在原理上給天線一個簡單且相對完整的定義了：天線就是面向空曠空間的諧振結構，就是這樣！
按照我們之前分析的邏輯，也可以簡單的說是分路四分之一波長傳輸線（總長度為半個波長）。 如下所示：
向空間“敞開”一段傳輸線，使其長度達到諧振的半波長，這就是標準的單極天線！
說了這么多，結果簡單得令人失望：不就是半波長導體嗎？ 這是在公司工作的同事通常對天線的印象。 他們談論了很多方法，但最終的結果是一個簡單的結構組件； 有時我感覺自己被欺騙了！
這讓我想起了小時候在語文課上學過的《百鳥學藝》的故事。 鳳凰告訴小鳥們如何筑鳥巢。 鳳凰說：“首先，你得找到一根樹枝……”。 老鷹一聽“哦，原來是一根樹枝”，就飛走了； 現在鷹巢一直是一個分支。
這里非常相似。 只要將其拆開，確實可以輻射。 從廣義上講，輻射也算是天線，也可以認為是天線。 它類似于老鷹尋找的樹枝； 但要讓燕子的巢像藝術品一樣，還需要做更多的工作； 比如搭配。
06
匹配：知道半波長導體可以用作天線，下一步就是如何饋電； 這就涉及到匹配問題。
如下圖所示：天線上不同位置的電壓和電流是不同的。 在哪里喂食以及如何喂食是一門大科學。
許多人經常將天線的輸入阻抗與輻射電阻混淆，尤其是那些制作較大天線的人。 事實上，同一天線在不同位置或不同饋電方式的輸入阻抗是不同的。 由于天線在不同位置具有不同的電勢和電流分布，因此它對外界表現出不同的阻抗。 對于同一類型的天線，其輻射電阻不會因饋電方式的不同而發生變化。 因為正如之前在談論輻射時提到的，近場和遠場的比率是給定電荷對和給定諧振結構的固有特性； 來源的差異不會影響這一基本特征。
既然不影響輻射，為什么端口阻抗如此重要呢？ 這與光源有關，與光源的能量能否有效地傳遞到天線有關。 如下所示：
天線阻抗和 PA 負載牽引
上圖中的粗黑線是天線的阻抗曲線，彩色部分是某個PA在不同負載下的輸出功率。 越藍的部分，輸出功率越大，越紅的部分，輸出功率越小。 我們看到，最大功率輸出的位置與天線的阻抗之間的關系是，只有天線和電路配合良好，才能將電路的能量有效地傳遞到天線。
事實上，我們想要的天線往往不是單一頻點的。 這時，我們必須根據天線上不同頻率的電壓和電流的分布來綜合考慮饋電位置； 如下所示：
天線上不同模式下的電流分布
這時進給位置的選擇不僅要考慮匹配，還要考慮各模態的激勵。
當然，這只是饋電位置選擇對輸入阻抗的影響。 其實我們也可以用匹配電路來配合； 這是一個很長的故事。
上面我們講的是電路角度的匹配，也就是電路和天線之間的匹配； 而天線在某種程度上可以看作是更廣泛的匹配裝置：將電路中的信號匹配到自由空間。
天線被視為從電路到空間的匹配
如上圖所示，能量從電路到自由空間是一個連續的過程； 如果這個過程有一個平滑的過渡，每個環節不再有能量反射，更多的能量就會從電路傳輸到自由空間。 在普通傳輸線中，通常采用50Ω，根據sqrt{eta/}計算，自由空間中的波阻抗約為377Ω。 能量從電路轉移到天線后，天線需要能夠與自由空間有良好的波阻抗。 只有匹配才能保證波傳輸的連續性并獲得最佳效果。 這就是很多小天線看起來很奇怪的原因。 如下所示：
小型天線設計圖
左右扭轉的設計可以理解為與空間的搭配； 天線與空間匹配狀態的變化會引起反射波的變化，進而引起天線與電路接口處輸入阻抗的變化； 因此，匹配是一個起點從電路到空間的連續過程，光討論這個可能就需要寫一本書了。 而許多令人驚嘆的設計正是上述基本原理的巧妙應用。 因此，與圍棋類似，游戲規則越簡單，變化越多，就越難做好。
另外，為什么這張示意圖中的天線與之前原理介紹中的天線有如此大的不同呢？
以上是天線的一般原理電場方向，基于實際應用。 雖然原理是一樣的，但是由于應用場景和條件的限制，天線常常會變形到無法辨認的地步，比如手機天線（剛才的小天線圖就是手機天線）。
07
手機天線：目前普通的5G手機中，大約有十幾個天線，負責不同的頻段和功能。 不是這個領域的同學可能還不知道這一點。 在如此狹小的空間內放置如此多的天線，人們可以想象天線的局限性以及它們必須做出的變形。 但無論如何變化，天線的原理都不會超出上面介紹的幾點。
以下是PIFA天線在手機中的發展現狀：
手機天線演進示意圖
我們可以看到，從理想的天線到后來的PIFA天線，為了空間的妥協，早期的樣子已經看不到了。 前面我們強調要“拆開”輸電線路，使其面向開放空間； 但到了 PIFA 時期，所謂的開放空間已經惡化； 事實上，隨著手機全面屏顯示的普及電場方向，這種情況已經逐漸惡化，越來越偏離理想的天線條件； 這也是手機天線的設計變得越來越困難的原因。
但這并不意味著天線不能工作，也不意味著原理不再一樣。
開放空間條件的惡化直接影響輻射場與近場的比值； 由于更多的場在上下導體中相互重疊和約束，每個振蕩周期輻射出去的場變得越來越小，作為儲能的振蕩幅度越來越大。 在實際電路中，任何振蕩電流都會產生損耗； 振蕩電流越大，電路中損失的能量越高； 這意味著天線輻射效率降低。
另一方面，輻射場的比例變小，近場（儲能）的比例變高，這意味著天線的Q值在增加，天線的帶寬也減小。 因此，對于手機這樣的小型天線來說，最重要的兩個參數：輻射效率和帶寬，是由“開放空間”的物理條件決定的。 所以它是天線非常重要的基本條件。 但由于空間限制，我們常常不得不做出一定的妥協并接受其帶來的成本。 這就是平衡的藝術，也是手機天線設計的魅力之一。
順便說一句，天線的 Q 因子太高還有一個缺點。
我們在講諧振的時候提到，天線的Q值越高，意味著需要疊加更多的波才能輻射出同樣的能量。 其結果是天線中的振蕩電流非常大，天線末端的電場非常強，可以達到支撐天線的塑料支架被熔化的程度； 如下所示：
高Q值天線示意圖
上兩張圖是某早期天線，天線尾部的塑料支架被燒熔（當然這是不正常情況，正常情況下不會發生，請不要擔心）； 下面兩張圖是根據實驗室原理得出的結果。 這個現象的圖片，下左圖是天線原型； 下右圖是連接毫安輸出網絡分析儀的天線原型，并用紅外攝像頭測試溫度； 可以看到，毫安輸入時，天線端的溫度已達到80℃以上； 這表明天線中的振蕩電流非常強。
粗略總結一下：
天線的基本原理可以看作是面向空間的半波長導體。 輻射是振蕩電荷的基本能力，而天線只是釋放這種能力的特定結構。
更多原理文檔，如果有興趣可以閱讀我的其他文檔，一起學習吧！
