2.1 天线与电磁波

在传输信息的过程中，只要利用电磁波，就需要依靠天线来工作。电磁波是振荡的粒子波，它们通过同相且相互垂直的电场和磁场在空间中移动。电磁波的传播方向垂直于电场和磁场同时形成的平面，是以波的形式传播的电磁场，所以，电磁波具有波粒二象性。如图2.1所示为电磁波传播时电场、磁场、电磁波传播方向的关系。由于电磁波伴随的电场方向、磁场方向及其传播方向相互垂直，因此电磁波是横波。电磁辐射的载体为光子，不需要依靠介质传播。电磁波在真空中传播速度固定，为光速。

图2.1 电磁波传播时电场、磁场、电磁波传播方向的关系

电磁波的频率是其重要特性。电磁波可以按照频率进行分类，可以从低频到高频依次排列，这就是电磁波谱。电磁波主要分为工频电磁波、无线电波（分为长波、中波、短波、微波）、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。无线电波的波长较长，宇宙射线（X射线、γ射线和波长更短的射线）的波长较短。人眼可接收到的电磁波波长为380～780nm，称为可见光。除电子、原子外，其余几乎都是电磁波，如红外线、紫外线、太阳光、电灯光、WiFi信号、手机信号、计算机辐射、核辐射等。如图2.2所示为各波段的电磁波谱。

图2.2 各波段的电磁波谱

由电磁场理论分析可以得到天线所产生的空间电磁场的分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。对于电磁场来说，空间任何一点的电磁场均满足电磁场方程——麦克斯韦方程，因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。电磁辐射、电波传播及电波接收都可以通过麦克斯韦方程来进行解释和分析，麦克斯韦方程如下。

（1）法拉第定律：

（2）安培定律：

（3）高斯定律：

在式（2.1）～式（2.3）中，E为电场强度矢量（单位：V/m），D为电通量密度矢量（单位：C/m2），H为磁场强度矢量（单位：A/m），B为磁通量密度矢量（单位：W/m2），J为体电流密度矢量（单位：A/m2），ρ为体电荷密度（单位：C/m3）。

麦克斯韦方程具有一定的物理含义，解释了空间中电场与磁场之间的关系。其表明，变化的电场可以产生磁场，变化的磁场可以产生电场。这就是电磁波可以脱离辐射体在空间存在的物理基础。

电磁波的发射和接收都需要通过天线来实现，两者密不可分。在发射电磁波时，天线有效地将电路中的高频电流或馈电传输线上的传导波转换为极化的空间电磁波，向给定方向释放；当接收电磁波时，天线将来自空间特定方向的一些极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波[2]。天线的发射和接收具有互易性，这就要求天线与发射机或接收机负载的匹配尽可能好。能量转换效率是衡量天线质量的关键。天线还可以进行定向发射或接收，对于发射天线，能量应集中在指定方向，其他方向无辐射或微弱辐射[3]；对于接收天线，应尽量接收指定方向的电磁波，在其他方向接收能力很弱或不接收。因此，一个好的天线应该具有完成某项任务所需的方向性。天线应该发射或接收指定极化的电磁波。例如，一个水平极化的天线，不能接收垂直极化的电磁波，反之亦然；否则会有一定的能量损失。