本文我们将研究无线电通信天线的一些基本原理。掌握天线基本原理的知识非常重要。在无线电通信环境中，对于任何站来说，最重要的是要非常注意天线的安装。虽然每个无线电台的硬件，包括发射机和接收机都很重要，但最终在整体性能方面，天线的质量起着最重要的作用。俗话说：“无线电台的好坏取决于天线”。因此，我们将特别强调天线的基本原理，在不涉及太多数学的情况下，我将尽量使我们的论述直观而简单。
我们在现实世界中遇到的大多数天线通常是某种驻波天线。它们通常是偶极子或一组偶极子的衍生或组合。在这个阶段，有人可能会问，像八木天线、立方体天线、对数周期天线阵列（LPDA）或抛物面天线这样的复杂天线呢？它们也是偶极子吗？答案是肯定的。
起初，这可能看起来违反直觉且令人困惑，但我们将在我们网站天线部分的相关文章中逐步解释这些概念。然而，我们还必须记住，有一些类型的天线本质上不是偶极子天线。例如，磁环天线或几种类型的行波天线等。
任何天线，特别是高频HF地面站的天线性能，通常受到几个因素的影响，包括其基本设计、用于建造天线的结构材料、天线相对于周围环境的放置、地形地势、距离地面高度、地面质量（包括土壤介电常数和电导率）、天线相对于地面的方向（垂直、水平、倾斜等）等。其中许多因素同样适用于地面VHF/UHF通信天线。
所有天线都有一些重要的关键属性，我们将在这里简要地对其进行讲解。这些主要属性以及其他几个属性将在有关这些主题的各种专门文章中介绍。
天线增益和方向性
天线增益不是绝对量。它是一个相对于另一个参考天线测量到的属性。它表示天线在发射（TX）和接收（RX）时与标准参考天线相比性能的相对增强。发射天线的增益以其功率增益为特征，而接收天线增益则称为方向性增益。但是，必须记住，TX天线的功率增益并不意味着发射机在发射时馈送给天线的总功率会增加或以任何方式倍增。
由于天线增益，发射机的功率输出没有得到增强，那么逻辑问题就是天线功率增益到底是什么意思？为了回答这个问题，我们必须快速查看我们测量增益的参考天线。从过去到现在，自由空间中的谐振半波偶极子（称为标准偶极子）被作为参考。所有其他天线的增益属性都是相对于这个标准偶极子测量的，并且这种增益被指定为dBd，最后一个字符（d）表示偶极子参考。标准参考偶极子有一个缺点，即虽然它的特性可以在自由空间中复制，但它的辐射模式形状像一个甜甜圈，在三维（3D）空间中不是所有方向都均匀的。
因此，人们为这个目的构思了另一种参考天线。这就是各向同性的全向天线。全向天线是一种虚构的天线，在现实世界中并不存在。然而，它的好处是，这种天线具有完美的球形辐射模式，因此在3D空间中的所有方向上都具有均匀的辐射功率密度。全向天线可以很容易地被用作数学建模的可靠参考，数学建模广泛用于当代天线设计。参考全向天线测量的天线增益被指定为dBi，其中（i）代表全向。全向天线现在或多或少已经成为行业和天线设计者社区的事实参考天线。为了在旧的标准偶极天线和作为参考的全向天线之间实现可移植性和兼容性，增益关系已经在两者之间进行了映射。
标准参考偶极子天线被设置为比各向同性天线具有2.15 dB的增益。因此，通过简单地加上2.15 dB，可以将以dBd为单位的增益转换为dBi。同样，dBi到dBd的转换可以通过减法来实现。
定义了参考天线后，现在让我们来研究天线的增益属性。对于我们的参考各向同性天线，由于辐射方向图是一个均匀的3D球体，让我们使用充气球形气球的类比（虽然并不完美）。让气球中的空气代表发射的能量（功率），并假设气球表面代表增益。
让我们专注于天线的基础知识，并尝试找出为什么大多数实际的天线在各向同性天线上有有限的正增益？如果我们检查它们的辐射瓣模式，我们注意到它们总是具有限制某些优先方向辐射的形状。它们都没有完美的球形模式。这与增益有关吗？绝对……这正是导致天线增益的原因。它们将能量辐射限制在狭窄和受限的波瓣模式中的程度越大，增益就越大。
那么，到底发生了什么？让我们以偶极子为例，尝试重塑我们为各向同性天线创建的球形气球。让我们拿着气球，从两个相反的侧面把它挤在中间。因此，我们会发现气球会在其他方向膨胀，因为里面的空气会推着气球的弹性表面。你越挤压，另一边的伸展就越多。这种表面扩张代表了增益。即使我们没有改变气球中的空气量（发射机功率），与各向同性球体的半径相比，拉伸气球表面的远端将膨胀到离中心更远的距离。
除了挤在中间，您还可以挤它，以任何您想要的方式重塑气球（假设我们比喻中的气球没有爆裂），从而甚至将原始球形变成薄长方形。这个长方形的长度将远远大于球体的半径，因此代表高增益，现在可能类似于八木天线模式。
总结天线功率增益的概念，我们发现通过将传输功率集中在一个或多个方向上的狭窄波束中，并防止能量分布在不必要的方向上，天线成功地管理了一个空间上受控的辐射功率，从而在不要求发射器提供额外功率的情况下有效地增加了所需方向上的功率密度。同样，在接收时，截获的电磁波被累加起来，以在天线产生更高的感应电压和电流。天线的TX和RX行为基本上是互逆的。在另一篇文章中，我们将更详细地讨论天线接收方向的增益。
天线效率
天线的效率是一个重要的属性。它决定了通过天线馈电点传输到天线的发射机功率有多少实际转化为辐射的电磁能。在实际的天线中，可能有多种因素导致衰减和随之而来的功率损耗。大多数运行高功率（QRO）的业余无线电操作员都知道，他们的天线经常会变热。那些生活在气候非常寒冷的地方的人经常注意到，在天线导线和元件上可能沉积的雪在它们长时间传输时经常开始融化。广播电台工程师知道天线场附近的土壤会变暖。大型兆瓦级发电站也会加热TX天线附近的植被，并经常破坏附近的植被。所有这些都反映了天线系统的整体效率。
典型天线的损耗是由许多因素造成的。天线制造所用的材料是主要的损耗因素。形成辐射结构的导线、管道、管材等具有有限的电阻，导致损耗。此外，在射频（RF）下，电流不会流过导体的整个横截面。射频电流被推到导体外表面，仅从表面流过很小的深度。这被称为趋肤效应。频率越高，趋肤深度越小。因此，与物理横截面相比，天线元件的有效横截面有效地减少了几个数量级。这进一步加剧了电阻损耗。
可能增加某些类型天线损耗的另一个因素是各种绝缘体的介电损耗。通常，使用陶瓷等低介电损耗绝缘体来最小化这种损耗。许多业余线天线使用PVC绝缘线等导线作为天线元件。除了改变天线的谐振长度外，这些绝缘体还会增加其微小的介电损耗。许多多频段业余无线电天线使用LC陷波器或同轴陷波器来实现多频段功能。这些陷波器因损耗很大而臭名昭著。即使是最精细和设计精良的陷波器也会产生不必要的损耗，但遗憾的是，业余爱好者制造的大多数陷波器具有较差的无载Q因数，因此损耗非常可怕。
正如我们之前提到的，由于靠近地面（地球表面）而造成的损失也是一个导致天线效率低下的变量。这种损失的数量取决于土壤的导电性和介电常数。这可能因地区而异。肥沃湿润的土壤损失较小，而城市土壤和沙质干燥沙漠土壤的损失较大。水体损失较小，特别是海水。由于天线安装的位置，可能会有额外的损失。建筑物、金属结构、管道、架空线等不仅会导致天线辐射图案失真，还会因能量吸收造成的损失而大大降低天线增益。
综上所述，在制造和安装天线时，牢记上述所有因素，对于保持合理的天线效率大有裨益。请记住，许多无线电爱好者难以通联到足够多的电台（特别是在HF上）的原因并不总是与天线安装计划不周有关。
天线波束宽度
从我们对天线增益的讨论中，我们发现与理论上的各向同性辐射器相比，大多数常规尺寸的天线具有更高的增益幅度。这是通过形成辐射瓣将辐射能量集中到所需方向来实现的。因此，我们需要一种方法来定量定义实际天线辐射模式的重要属性。其中一个重要属性是主瓣的波束宽度。
虽然天线可以产生多个波瓣，其中一些可能是设计意图，而一些较小的波瓣可能是波束形成过程的副作用。主（主要）波瓣通常是与众不同的。不同类型的天线设计和结构通常具有与其相关的独特辐射模式。在自由空间中，能量以无阻碍路径向各个方向传播的天线，其辐射模式可能从圆环形状到一对完全相反的双向波瓣，或者可能具有在优选方向上只有一个主要波瓣的定制模式。在自由空间中，模式通常围绕天线的轴或平面对称。一个值得注意的例外是非对称堆叠天线阵列，我们将在另一篇文章中介绍。辐射波瓣通常看起来像细长的椭球体，就像典型的空投炸弹或鱼雷的形状。
天线的已发布增益特征在于其主瓣沿瓣主（中心）轴的峰值增益。为了能够定义波瓣主轴周围的有效接入区域，定义了天线波束宽度。这是峰值增益轴与增益降低3dB或6dB的角度之间形成的角度。通常，指定-3dB角，因为它代表辐射功率密度降至峰值的一半的角度。
在地面通信的HF天线的情况下，-6 dB角度可能是指定的，因为它代表了远端RX站典型下降的1个S单位。无论情况如何，天线波束宽度参数提供了对天线远端区域覆盖的洞察，而不会在性能上出现任何重大恶化。此外，它还指定了在实际点对点通信场景中天线可接受的方向失准程度。总波束宽度实际上等于在一侧测量的-3 dB（或-6 dB）角度的两倍，并指定为±（xx）°，其中XX是一侧的角度。
然而，在典型的地面通信HF天线的情况下，天线与地面等大型反射面相对较近（就波长λ而言），我们通常用两个不同的实体来表征天线波束宽度。其中一个为仰角波束宽度，另一个为方位角波束宽度。这变得至关重要，因为天线下方存在反射地面，辐射瓣的形状会发生变化，并且不再完全对称于峰值增益轴。接近地面的影响通常是压缩仰角平面上的瓣图。因此，仰角波束宽度与方位角波束宽度不同。与自由空间中的相同天线相比，反射地面存在的积极作用是显著增加天线的有效增益。
天线带宽
天线的带宽是另一个重要属性。所有天线都在其标称设计频率附近的频率范围内有效工作。超出带宽限制的频率范围，天线的性能会受到严重损害，使其无法持续使用。某些类型的天线具有相对较宽的可用频带范围，其中一些覆盖了几个倍频程。这些被称为宽带天线。更著名的宽带天线是对数周期偶极子阵列（LPDA）、锥形天线、双锥形天线、菱形、Bverage等行波天线。然而，大多数流行和著名的天线是带宽相当有限的谐振驻波天线。
无论天线类型如何，其带宽的特征在于其能够最大限度地有效地将发射机传递给它的功率传输给它自己。只有当源和负载阻抗匹配时，才能从源向负载传输最大功率。在实际场景中，可以容忍少量的阻抗失配，但严重的失配不仅效率低得令人无法接受，而且会对整个无线电台产生灾难性的影响。
源和负载之间的阻抗失配量由一个称为驻波比（VSWR）的参数指定，也简称为SWR。 SWR等于负载阻抗和源阻抗的比率，表示为1:1或1.5:1等比率。 虽然一些无线电发射机和传输线系统的容忍度较低，但大多数现代业余无线电设备可以安全地处理高达2:1的SWR。 然而，使用天线匹配/调谐单元（通常称为ATU）可以处理更高的SWR。 ATU实际上并没有解决SWR问题本身，而只是掩盖了其不利影响，并产生了一种错觉，使发射机相信一切正常。
使用ATU来抑制高SWR的不利影响是不可取的，特别是在使用同轴电缆传输线时，因为它可能会严重损害整个天线系统的整体性能。然而，许多业余无线电操作员不加选择地使用ATU。我们将在与无线电传输线相关的文章中彻底讨论这些问题。
现在，让我们假设最大SWR为2:1是可以接受的上限。在其典型的设计中心频率下，设计良好、制造精良的天线的SWR非常接近最佳值1:1。当我们从频率标尺的任一方向调谐到该频率之外时，天线的馈电点阻抗在幅度和相位上开始变化，而源阻抗保持不变。因此，天线馈电点的SWR开始上升。
在某个点上，当我们改变TX频率时，SWR达到2:1并继续攀升。天线中心频率两侧的频率达到2:1，被认为是天线按照规范执行的最大推荐频率边界。两端2:1 SWR限制之间的频率范围称为天线带宽。许多流行的HF天线受到SWR带宽的限制，通常无法覆盖指定业余无线电HF频段的整个可用频率范围。因此，我们经常听到业余操作员选择感兴趣的频段并相应地调谐天线，同时不情愿地被迫在频段的其他部分妥协天线性能。
天线极化
天线的极化是指天线辐射的电磁波的极化。适当的天线极化在LF、MF和HF信号的表面波（通常称为地波）传播中起着至关重要的作用。它也是VHF/UHF和微波通信中非常重要的因素。然而，在电离层天波HF通信的情况下，从传播的角度来看，天线极化是不重要的。
然而，它在城市和工业区中相当高的人造环境噪声（QRM）的拾取中起着显着的作用。由于垂直极化信号在较长距离上的表面波传播能力优于水平极化信号，因此大部分总QRM是垂直极化的。因此，垂直极化天线比水平极化天线更容易拾取更大幅度的人造环境噪声。
典型的垂直极化电磁波
让我们快速了解更多关于电磁波极化的知识，以及如何根据极化对天线进行分类。电磁波由两个共存的组件组成。它们是电场和磁场。这两个场同时存在，当它们以光速在介质中传播时，它们之间反复传递信号能量。电场和磁场在空间上相互垂直（正交）。现在，如果天线产生电磁波，使电磁波的电场分量垂直而磁场水平，那么电磁波以及产生它的天线被称为垂直极化。
同样地，如果产生的EM波的电场在水平面内，而磁场线在垂直面内，则波的极化方向以及产生它的天线也称为水平极化。换句话说，EM波的电场取向平面被用作天线极化的参考。通常，天线元件的取向平面定义了EM波的电场取向平面。因此，像偶极子、其他水平线天线、水平部署的八木天线等天线都是水平极化天线。同样地，垂直单极天线或垂直定向的八木天线是垂直极化天线。其他天线，如立方体天线或三角环天线，是全波长闭环天线，因此它们的极化由这些天线上的馈电点的位置决定。
除了前面提到的电离层天波通信的情况外，我们已经指出天线极化在无线电通信中起着至关重要的作用。原因是如果接收天线遇到的信号极化与其自身的极化相同，则接收天线会接收到最大的信号。如果信号极化与其自身的极化正交（旋转90°），则接收天线处的极化损失将是巨大的。理论上，不会接收到信号，但是，由于实际的极化失配可能永远不会是一个数学上完美的90°，损失不会无限大，但仍然很高，约为-20至-30 dB。这可能仍然意味着在RX端可能无法读取传输。这也意味着在大多数情况下，除了电离层跳跃天波传播外，TX和RX天线必须具有相同的极化，才能进行可靠有效的通信。
还有一种情况经常适用于空间卫星通信。许多卫星，特别是较小的低地球轨道（LEO）卫星，在轨道平面上通常不能完全稳定在它们的轴上。它们不使用陀螺平台，也不进行自旋稳定。当它们在轨道上移动时，它们会自由地滚动、俯仰和翻滚。因此，这些卫星上的天线不能保持相对于地球的恒定物理方向。当它们滚动和翻滚时，它们的天线方向和极化不断变化。对于地球站来说，要与这些卫星保持通信，既不可能在地球站使用水平极化天线，也不可能在地球站使用垂直极化天线。
此外，由于无线电波在上行链路和下行链路中都穿过电离层，因此它受到一种称为法拉第旋转现象的影响，导致穿过电离层的信号极化发生改变。极化旋转量是不可预测的，取决于当时的电离层厚度和密度。法拉第旋转在VHF上最为明显，在UHF上则相对较小。然而，在微波频率下，这种效应几乎不存在。可靠地访问LEO卫星的解决方案是使用另一种称为圆极化天线的天线。轴向模式螺旋天线和交叉八木天线是圆极化天线的典型例子……但这是另一篇文章要讲述的内容。
起飞角度和辐射瓣
辐射发射角是另一个与地面通信天线相关的关键属性。虽然这个属性在VHF/UHF天线中也起作用，但由于涉及的波长较短，即使没有主动努力确保它，大多数天线安装通常也能满足良好的低角度辐射要求。然而，HF天线安装就波长而言相对更靠近地面，因此可能经常会出现低角度辐射瓣不足的情况。因此，HF天线设计师、制造商和安装人员如果想实现低发射角能力，需要充分注意。
让我们来研究一下，为什么低起飞角辐射波瓣模式对于使用电离层跳跃传播的高频频段上的远程（DX）通信来说通常是至关重要的。电离层位于地球表面上方数百公里的高度，地球的形状几乎是球形的，电离层的冠层就像一个围绕地球的同心空心球。几何告诉我们，天线辐射相对于地球表面的角度将决定EM无线电波束撞击电离层的角度。
在高角度下，电离层冠层对无线电波束的截点距离发射机较近，而低角度波束在遇到电离层之前，会经过距离发射站较远的距离。在撞击电离层后，波束以接近等于波束在电离层入射角的角度反射（确切地说，是折射）回地球。电离层的反射点类似于几何三角形的顶点。
因此，很明显，天线辐射的发射角越低，无线电信号在一次跳跃（跃点）中传播的距离就越长。即使需要多次跳跃才能覆盖更长的距离，当发射角较低时，覆盖DX距离所需的跳跃总数也是最少的。覆盖两个DX站之间距离的级联跳跃越少，信号路径损耗就越低，从而使DX站之间的通信更强大、更可靠、更稳健。
简而言之，要发生相对短距离的电离层跳跃，需要一个具有中等起飞角度能力的天线，但对于良好的DX工作，特别是在弱信号条件下，必须部署具有良好低起飞角度能力的天线。天线的起飞角度主要由其离地高度决定。除了垂直1/4λ天线或其具有整体接地平面径向系统的变体等一些天线类型外，大多数HF天线在确定其起飞角度时容易受到地面接近的影响。根据经验，天线离地越高，获得较低起飞角度的可能性越大。
馈电点阻抗和驻波比
我们在本文前面提到，当天线的馈电点阻抗等于馈线电缆天线端的源阻抗时，发射机和馈线系统的最大功率传输发生。通常，在射频下，源阻抗等于电缆（传输线）的特性阻抗。最大功率传输的另一个重要标准是负载（天线馈电点）阻抗必须尽可能为电阻性，没有或只有很小的电抗元件。
这是因为只有电阻性负载可以吸收功率，而电抗性负载不吸收功率。这就是为什么我们总是致力于创造一种在所需工作频率下谐振的天线结构。谐振意味着完全消除所有电容性和电感性电抗元件，只留下电阻性负载元件本身向源极呈现。
关于天线谐振的一个有趣但经常被误解的事实是，天线在其谐振频率下的馈电点阻抗不一定意味着最低的VSWR（SWR）。在尝试调谐天线以获得最低的SWR时，我们经常最终会使天线失谐。例如，让我们以1/4λ单极天线为例。典型谐振单极的馈电点阻抗为36Ω。
一个典型的发射机，其源阻抗为50Ω，连接到52/54Ω同轴电缆，对天线的源阻抗不会超过标称的54Ω。因此，谐振单极馈电点的SWR将为52:36或1.44:1，但不会低于这个值。任何通过调整天线元件来进一步降低SWR的尝试，实际上都会导致天线失谐。天线阻抗的无功分量将显示出来，除了其电阻分量，导致失谐点，其中复阻抗（Z）可能等于源阻抗，因此在仪表上显示1:1的SWR。
如果实际天线的馈电点阻抗与源阻抗匹配，则肯定能够将最大功率传输到天线，但这并不一定意味着天线系统非常高效。……不一定……虽然发生了最佳功率传输，但实际辐射了多少功率是一个价值百万美元的问题？市场上有很多天线可能具有与标称源阻抗匹配的馈电点阻抗，但它们的辐射效果很差。
这就引出了辐射电阻的概念。除了可以通过天线谐振来消除电抗之外，每个天线主要都有两种电阻元件。它们是串联的辐射电阻和损耗电阻。设计不佳的天线，其馈电点阻抗为50Ω，可能只有很小的辐射电阻（如20Ω），而损耗电阻可能为（如30Ω）。因此，总电阻为50Ω，它将与同轴电缆传输线源完美匹配，并在任何仪表上显示完美的1:1 SWR。
然而，由于辐射电阻，该天线将仅辐射约30%的施加功率，而其余70%将因损耗电阻而以热的形式损失。因此，与辐射电阻相比，高效且设计良好的天线将始终将损耗电阻保持在最小值，即使这意味着总馈电点阻抗不允许直接阻抗匹配。