01
什么是辐射？ 要介绍什么是天线，首先需要了解什么是辐射。
假设空间中有如下一对正负电荷，在某一时刻在某种外力的作用下保持静止； 空间中各点的力是平衡的； 如下所示：
两个电荷之间的蓝色箭头线是它们之间的电力线示意图。 此时，两个电荷之间存在电场，电势能分布在空间各点； 并且电场势能在空间中的分布是不均匀的。 两个电荷直接相连的位置是势能最集中的地方； 两个电荷距离越远，势能越集中。 电场较弱的地方，电势能也相对较弱。 这种电场和电势能的不均匀分布就是这对相反电荷的平衡状态； 换句话说，这对相反的电荷将它们的大部分能量限制在它们附近的区域； 如果没有外部干预，这种状态将会持续下去。
接下来我们分析一下异性电荷运动的变化过程。
为了分析电荷对运动时电场和电势能的变化，以及它们产生的磁场的变化，我们对电力线进行了简化，否则线路会太多而且会显得杂乱； 简化后，如下图所示。
电荷复合过程中电磁场转移示意图
如上左图所示，我们只取其中几条电源线作为代表，仍然用蓝色箭头线表示。
释放两个电荷，让电荷在静电引力的作用下相互靠近； 如图，小黑圈为感应磁场方向，⊗代表垂直于纸张向内方向的方向，⊙代表垂直于纸张向外方向的方向。 我们都知道这个在高中物理学过的。
带箭头的红线是感应磁场和感应电场，箭头表示电场的方向。 红色小圆圈是感应电场和感应磁场，方向也是垂直于纸面，向内或向外。 这里的量有点多了，不过都是高中物理的内容，就是磁嵌套电，电嵌套磁。 如果仔细梳理一下，后面的分析就简单了。
图中相反电荷对复合运动过程中，感应电场力（红色虚线）阻止了电荷的复合运动（与原来蓝色电场方向相反，如上右图所示）； 这种阻力逐渐消耗两个电荷之间的空间。 电势能，消耗的能量转化为空间磁场势能（用小黑圈⊗和⊙表示）； 这就是电磁作用的过程。
同时，感应电场在削弱两个电荷之间电场的同时，也试图加强远离电荷的电场（如图中蓝色虚线和红色虚线有同一方向）。 换句话说，这个过程试图减少原本电场比较强的区域。 电场减弱，导致原本电场比较弱的空间内的电场增大。 而这个增强的电场会继续产生磁场，并将磁场移得更远（用红色小圆圈⊗和⊙表示）。
换句话说，在这个过程中，空间中的能量分布将转移到远离异性电荷对的区域，并趋于空间平均。 这符合系统平衡的原则； 这是振荡电荷辐射电磁场的最基本原理。 。
而且，当这对异性电荷完全重新结合时，它们原有的电场能量（蓝色箭头电力线示意图）消失，而原有的电势能以磁场能量的形式分布在各个点在空间中（右侧的每个小黑圆圈 ⊗ 和 ⊙）。 由于感应磁场的存在，其感应电场（上图中红色虚线带箭头）不会立即消失。 这些感应电场将继续推动相反电荷的运动，试图再次分离电荷对。 这就是磁力发电的原理。 过程。
如果此时电荷对附近的磁场可以将相反的电荷对再次分离到原来的位置（极性互换）； 那么这种电转磁、磁转电的相互转化过程将永远持续下去。
事实上，这是不可能的，因为在复合过程中平均空间能量的努力使得电荷附近的能量集中度比以前要少。 直观上，部分磁场转移到距离电荷对太远的地方，此时它们对电荷的作用力太弱，可以忽略不计。
能够继续参与磁电过程的磁场能量，在能量转换过程中会再次转换为电场，并被约束在电荷对附近； 而一些距离太远太弱而无法参与磁电过程的磁场就会脱离这个电荷对的约束； 这是辐射场。
假设上面蓝色虚线内的磁场可以再次参与磁电产生的过程，并继续转化为电场； 而蓝色虚线之外的磁场将永远消失； 这将场分为近场（能量存储）和远场（辐射场）。
事实上，这种近场和远场的分布和比例是相对固定的（当然是动态的）。 如果有一个外力不断地给这个相反的电荷对补充能量，让其维持这种振荡，就会不断向外传递电磁场，这就是辐射。 相反，如果有一个外部电磁场从外到内，不断参与电荷对振荡的过程，电荷对就有能力向外做功。 这就是接收过程。
这是电荷与电磁场相互作用的微观机制，也是辐射或天线最基本的微观机制。
可见，辐射是振荡电荷对的基本特性，而不是我们特定的设置赋予了它这种能力。
那么为什么普通传输线中的电荷对不会辐射呢？
02
传输线对辐射的约束作用：假设下面是传输线的示意图。 上下导体中存在一对相反的电荷，这也与传输线中的情况一致。 我们只需要把上面讨论的一对电荷对放在上下传输线上即可； 当然，上下传输线中相反电荷对的位置是互换的； 然后将它们产生的场叠加在一起。
左上图为静止状态下的情况。 蓝色和浅蓝色虚线分别代表上部和下部相反电荷对的电场。
我们看到，导线外部的电场方向（灰线代表上下导线）总是以相反的方向抵消，而导线之间的电场方向总是以相同的方向相加。 也就是说，与自由电荷不同，传输线上下导线中的相反电荷对是相互约束的，使得电场分布在导线之间，而导线外基本没有电场分布（考虑到传输线上的上下导线非常接近）。
重复最初讨论的相反电荷对从静止到复合的运动过程； 此时，上下导线中的两对电荷同时运动，两对相反电荷对产生的场也叠加。 这里的字段有点多，但基本原理是完全相同的。
此时的磁场分布如上右图所示，圆圈为磁场示意图（用⊗和⊙表示）。 我们直接看场的方向。 此时，还有上下电荷对产生的磁场。 在线外，方向始终相反且衰减（⊗ 和 ⊙ 相互抵消）。 两条线被加强是因为它们具有相同的方向（仅⊗）。 同时，上下导线之间的电场（带箭头的红色虚线）也得到加强，因为它与相应位置的相反电荷的电场方向相同。
也就是说，在传统的传输线中，由于上下导体中的电荷产生的场是相互约束的，因此传输线之间的磁场和电场都受到约束。 这使得不可能通过第一部分中引入的振荡电荷将场转移到太空中遥远的地方。 这就是传输线中的振荡电荷不能辐射的原因。
知道了传输线不能辐射的原因，设计天线就简单了。 只要破坏传输线的约束即可！
03
破坏约束条件：如何破坏上下导体对传输线施加的场约束？ 简单来说，就是“拆开”传输线，使上下导体中的场不能重叠并将场暴露在自由空间中。 示意图如下：
这里纯粹是为了直观和便于理解，直接将上下导体“分开”，而场分布保持不变； 这样做是为了让大家看清楚，上下导体已经失去了相互制约的条件。 实际的场分布会在上下导体之间重新调整，比图中显示的要复杂一些； 但并不影响定性层面上对这个问题的讨论，我们暂时以宽松的方式来看待。
如上图所示，两个独立导体中的异性电荷场不再能够相互抑制并相互抵消。 在远离导体的空间中将会存在一个振荡电荷场。 根据之前对振荡电荷对的分析可知，这个空间的电场会继续“平均”到更远的空间，形成辐射。 该源仅用于补充每个周期中损失的能量，使电荷对在每个振荡周期中始终保持相同的分离幅度。
事实上，天线的基本原理确实可以理解为只是“拆散”传输线。
难道只是“拆开”天线的问题吗？ 当然这还不够。
04
共振：实际上，在振荡电荷对形成的远场和近场中，远场所占的比例很小； 也就是说，每个周期辐射出去的能量很小，大部分能量都被限制为能量存储。 在近场。 尤其是在实际应用中，由于空间等条件的限制，想要“破解”是不可能的； 因此，无法避免场因叠加而受到约束，辐射的能量较少。
解决这个问题的办法就是共振：我们需要大量的电荷对同时同步振荡，将各个电荷对的微弱辐射场叠加起来，形成相当大的辐射； 这需要建造一个共振结构。
如何构建共振结构？ 看下图：
如上图所示，沿导体传输的行波信号每个周期都有一个正半周期和一个负半周期； 当我们在半波位置进入负半周时，我们将波“折叠”，负半周+反向折叠，就可以与正半周信号同相，从而达到叠加结果。 如果继续以同样的方式折叠，就可以“堆叠”许多这样的半波，形成强大的同时同步振荡。 这就是上图想要表达的意思。 听起来很高端，但实际上是通过使用半波长线来实现的。
那么共振波可以无限叠加吗？
显然不是，现实中不存在无限的事物； 一个更合理的问题是，什么时候叠加？
打个比方，你把一车苹果拉到某个市场去卖，就能得到一万元。 苹果本身的成本加上运费和人工成本为9500元。 每次拉动你就赚500； 如果用2辆车同时拉，每次拉，赚1000，同时拉3辆车，每次拉15000。 。 。 。 。 但你总共只有 10 辆车。 当你用完10辆车并且无法添加更多车辆时，每次拉动赚取5000将是一种稳定的长期运输方式。
对于天线来说，当源每个周期可以提供的能量等于谐振结构在没有周期中损失的能量（包括辐射和天线损耗）时，叠加停止，谐振达到平衡。 下图是谐振结构从启动到平衡的示意图：
上图中蓝色曲线代表源的幅度，红色曲线代表天线（半波长导体）中“堆叠”的信号幅度； 当每个周期辐射出去的“堆积”能量等于源的功率时，源就没有继续向上“堆积”的能力，系统达到稳定状态。
天线工作时，源本身的幅值较小，而天线上的振荡电流幅值较大，幅值取决于天线的Q值。 对于高Q值的窄带天线，天线内的振荡幅度是惊人的； 此时，导体中振荡电流的损耗和支撑天线的介质中天线末端电场的损耗都很大。 我曾经遇到过天线末端的电场会烧毁支撑天线的塑料介质的情况。
05
什么是天线：至此，我们终于可以在原理上给天线一个简单且相对完整的定义了：天线就是面向空旷空间的谐振结构，就是这样！
按照我们之前分析的逻辑，也可以简单的说是分路四分之一波长传输线（总长度为半个波长）。 如下所示：
向空间“敞开”一段传输线，使其长度达到谐振的半波长，这就是标准的单极天线！
说了这么多，结果简单得令人失望：不就是半波长导体吗？ 这是在公司工作的同事通常对天线的印象。 他们谈论了很多方法，但最终的结果是一个简单的结构组件； 有时我感觉自己被欺骗了！
这让我想起了小时候在语文课上学过的《百鸟学艺》的故事。 凤凰告诉小鸟们如何筑鸟巢。 凤凰说：“首先，你得找到一根树枝……”。 老鹰一听“哦，原来是一根树枝”，就飞走了； 现在鹰巢一直是一个分支。
这里非常相似。 只要将其拆开，确实可以辐射。 从广义上讲，辐射也算是天线，也可以认为是天线。 它类似于老鹰寻找的树枝； 但要让燕子的巢像艺术品一样，还需要做更多的工作； 比如搭配。
06
匹配：知道半波长导体可以用作天线，下一步就是如何馈电； 这就涉及到匹配问题。
如下图所示：天线上不同位置的电压和电流是不同的。 在哪里喂食以及如何喂食是一门大科学。
许多人经常将天线的输入阻抗与辐射电阻混淆，尤其是那些制作较大天线的人。 事实上，同一天线在不同位置或不同馈电方式的输入阻抗是不同的。 由于天线在不同位置具有不同的电势和电流分布，因此它对外界表现出不同的阻抗。 对于同一类型的天线，其辐射电阻不会因馈电方式的不同而发生变化。 因为正如之前在谈论辐射时提到的，近场和远场的比率是给定电荷对和给定谐振结构的固有特性； 来源的差异不会影响这一基本特征。
既然不影响辐射，为什么端口阻抗如此重要呢？ 这与光源有关，与光源的能量能否有效地传递到天线有关。 如下所示：
天线阻抗和 PA 负载牵引
上图中的粗黑线是天线的阻抗曲线，彩色部分是某个PA在不同负载下的输出功率。 越蓝的部分，输出功率越大，越红的部分，输出功率越小。 我们看到，最大功率输出的位置与天线的阻抗之间的关系是，只有天线和电路配合良好，才能将电路的能量有效地传递到天线。
事实上，我们想要的天线往往不是单一频点的。 这时，我们必须根据天线上不同频率的电压和电流的分布来综合考虑馈电位置； 如下所示：
天线上不同模式下的电流分布
这时进给位置的选择不仅要考虑匹配，还要考虑各模态的激励。
当然，这只是馈电位置选择对输入阻抗的影响。 其实我们也可以用匹配电路来配合； 这是一个很长的故事。
上面我们讲的是电路角度的匹配，也就是电路和天线之间的匹配； 而天线在某种程度上可以看作是更广泛的匹配装置：将电路中的信号匹配到自由空间。
天线被视为从电路到空间的匹配
如上图所示，能量从电路到自由空间是一个连续的过程； 如果这个过程有一个平滑的过渡，每个环节不再有能量反射，更多的能量就会从电路传输到自由空间。 在普通传输线中，通常采用50Ω，根据sqrt{eta/}计算，自由空间中的波阻抗约为377Ω。 能量从电路转移到天线后，天线需要能够与自由空间有良好的波阻抗。 只有匹配才能保证波传输的连续性并获得最佳效果。 这就是很多小天线看起来很奇怪的原因。 如下所示：
小型天线设计图
左右扭转的设计可以理解为与空间的搭配； 天线与空间匹配状态的变化会引起反射波的变化，进而引起天线与电路接口处输入阻抗的变化； 因此，匹配是一个起点从电路到空间的连续过程，光讨论这个可能就需要写一本书了。 而许多令人惊叹的设计正是上述基本原理的巧妙应用。 因此，与围棋类似，游戏规则越简单，变化越多，就越难做好。
另外，为什么这张示意图中的天线与之前原理介绍中的天线有如此大的不同呢？
以上是天线的一般原理电场方向，基于实际应用。 虽然原理是一样的，但是由于应用场景和条件的限制，天线常常会变形到无法辨认的地步，比如手机天线（刚才的小天线图就是手机天线）。
07
手机天线：目前普通的5G手机中，大约有十几个天线，负责不同的频段和功能。 不是这个领域的同学可能还不知道这一点。 在如此狭小的空间内放置如此多的天线，人们可以想象天线的局限性以及它们必须做出的变形。 但无论如何变化，天线的原理都不会超出上面介绍的几点。
以下是PIFA天线在手机中的发展现状：
手机天线演进示意图
我们可以看到，从理想的天线到后来的PIFA天线，为了空间的妥协，早期的样子已经看不到了。 前面我们强调要“拆开”输电线路，使其面向开放空间； 但到了 PIFA 时期，所谓的开放空间已经恶化； 事实上，随着手机全面屏显示的普及电场方向，这种情况已经逐渐恶化，越来越偏离理想的天线条件； 这也是手机天线的设计变得越来越困难的原因。
但这并不意味着天线不能工作，也不意味着原理不再一样。
开放空间条件的恶化直接影响辐射场与近场的比值； 由于更多的场在上下导体中相互重叠和约束，每个振荡周期辐射出去的场变得越来越小，作为储能的振荡幅度越来越大。 在实际电路中，任何振荡电流都会产生损耗； 振荡电流越大，电路中损失的能量越高； 这意味着天线辐射效率降低。
另一方面，辐射场的比例变小，近场（储能）的比例变高，这意味着天线的Q值在增加，天线的带宽也减小。 因此，对于手机这样的小型天线来说，最重要的两个参数：辐射效率和带宽，是由“开放空间”的物理条件决定的。 所以它是天线非常重要的基本条件。 但由于空间限制，我们常常不得不做出一定的妥协并接受其带来的成本。 这就是平衡的艺术，也是手机天线设计的魅力之一。
顺便说一句，天线的 Q 因子太高还有一个缺点。
我们在讲谐振的时候提到，天线的Q值越高，意味着需要叠加更多的波才能辐射出同样的能量。 其结果是天线中的振荡电流非常大，天线末端的电场非常强，可以达到支撑天线的塑料支架被熔化的程度； 如下所示：
高Q值天线示意图
上两张图是某早期天线，天线尾部的塑料支架被烧熔（当然这是不正常情况，正常情况下不会发生，请不要担心）； 下面两张图是根据实验室原理得出的结果。 这个现象的图片，下左图是天线原型； 下右图是连接毫安输出网络分析仪的天线原型，并用红外摄像头测试温度； 可以看到，毫安输入时，天线端的温度已达到80℃以上； 这表明天线中的振荡电流非常强。
粗略总结一下：
天线的基本原理可以看作是面向空间的半波长导体。 辐射是振荡电荷的基本能力，而天线只是释放这种能力的特定结构。
更多原理文档，如果有兴趣可以阅读我的其他文档，一起学习吧！
