在講述實(shí)際中的天線之前，我們必須首先介紹一種純理論化的天線﹣--﹣各向同性輻射體（ isotropic radiator )。想象一下，一副在外層空間中與所有其他東西完全隔離的無限小的天線，其形狀為一點(diǎn)。再想象一下有一個(gè)無限小的發(fā)射機(jī)給這副無限小的點(diǎn)天線饋電?，F(xiàn)在你該對(duì)各向同性輻射體有了一點(diǎn)印象了。
這種僅在理論上存在的點(diǎn)源天線的唯一有用的特性是它向所有方向輻射相等的能量。這就是說，各向同性輻射體對(duì)任何方向都沒有偏向性，換句話說，它完全沒有方向性。這種各向同性輻射體作為一種比較的尺度在測(cè)量一副實(shí)際中的天線時(shí)是很有用的。
稍后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)所有真實(shí)的天線都會(huì)有一定程度的方向性，也就是說在某個(gè)方向輻射強(qiáng)些，在其他方向上輻射弱一些。真實(shí)的天線不會(huì)在所有方向上有相同的輻射強(qiáng)度，在某些方向上其輻射強(qiáng)度甚至可能為零。真實(shí)的天線的這種方向性（而各向同性輻射體是沒有方向性的）并不意味著這是一件壞事。例如，接收從某個(gè)方向過來的信號(hào)的天線因而可以消除其他方向上的干擾和噪聲，從而提高信噪比。
方向性與方向圖﹣﹣電筒照射的類似
天線的方向性是與其在自由空間中輻射出去的場(chǎng)強(qiáng)圖樣聯(lián)系在一起的。這種顯示在離天線固定遠(yuǎn)處，場(chǎng)強(qiáng)隨天線的方向變化的函數(shù)關(guān)系的真實(shí)或相對(duì)的圖樣，稱為天線的方向圖。我們雖然不可能實(shí)際地看見由天線輻射出來的電磁波所形成的方向圖樣，但我們可以考慮一個(gè)類似的情況。
圖1顯示了在一個(gè)完全黑暗的房間里的一束電簡(jiǎn)的光。為了量化我們的眼睛所看到的東西，我們使用攝影師所用的光強(qiáng)計(jì)來測(cè)量，并把其亮度分為0至10級(jí)。我們把光強(qiáng)計(jì)放在電簡(jiǎn)的正前方，并調(diào)整光強(qiáng)計(jì)與電筒的距離，使光強(qiáng)計(jì)讀數(shù)為10，即滿量程。我們還要認(rèn)真地記下光強(qiáng)計(jì)與電簡(jiǎn)的距離。然后，保持光強(qiáng)計(jì)與電筒的這個(gè)距離以及光強(qiáng)計(jì)離地面的高度，把光強(qiáng)計(jì)按箭頭所示方向繞電簡(jiǎn)移動(dòng)，在若干個(gè)不同的位置記下光強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)。
圖1電筒照亮整個(gè)黑暗區(qū)域的光束情況。讀數(shù)來自照相用的光度計(jì)沿著圓圈取16個(gè)點(diǎn)值，用于表示出電筒的照射圖形。
?記下所有讀數(shù)后，我們把這些讀數(shù)記在極坐標(biāo)紙上，如圖1所示。完成后，我們就畫出電簡(jiǎn)光的方向圖樣了。天線方向圖的測(cè)量
天線的方向圖也可以用類似的方法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)待測(cè)的天線加上一定的功率，用場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度。我們可以轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)的天線，而不是移動(dòng)測(cè)量?jī)x器。我們也可以利用天線的互易原理，天線的接收?qǐng)D樣和發(fā)射圖樣是一樣的。給小功率發(fā)射機(jī)接上天線，對(duì)待測(cè)天線發(fā)射，而待測(cè)天線則接到測(cè)量?jī)x器上。在第27章'天線和傳輸線測(cè)量'中，有關(guān)于測(cè)量天線方向圖的更多技巧的介紹。
為保證測(cè)量是準(zhǔn)確并可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的，有一些問題是必須注意的。在電簡(jiǎn)光強(qiáng)的測(cè)量中，假設(shè)光源與光強(qiáng)計(jì)的距離為2m，約6.5英尺?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)約為0.5 μ m ,而1μ m 是1/1000000 m 。
在電筒光強(qiáng)的測(cè)量中，光源與檢測(cè)器的距離為2.0/(0.5x10??)=4000000λ，相對(duì)于波長(zhǎng)來說非常大。而在對(duì)實(shí)際的短波或超短波天線的測(cè)量中，這個(gè)距離如果以波長(zhǎng)為單位計(jì)算的話就要小得多了。例如，一副全波長(zhǎng)的3.5 MHz 天線長(zhǎng)為85.7 m ，即281.0英尺，如果要按照電簡(jiǎn)光強(qiáng)的測(cè)
圖2在圖1電筒的照射圖形。這些測(cè)量值用平滑曲線連接起來畫出。
量的距離進(jìn)行測(cè)量，我們幾乎要把場(chǎng)強(qiáng)儀放到月球上去了，要25萬英里！
天線周圍的場(chǎng)
場(chǎng)強(qiáng)儀有自己的接收天線，為什么我們要考慮待測(cè)天線與場(chǎng)強(qiáng)儀之間的距離呢？其中一個(gè)重要的原因是如果你把場(chǎng)強(qiáng)儀的接收天線放得離待測(cè)天線很近，兩副天線的相互耦合會(huì)使待測(cè)天線的方向圖發(fā)生變化。
這種相互耦合會(huì)在離待測(cè)天線很近的區(qū)域發(fā)生。這個(gè)區(qū)域稱為天線的電抗性近區(qū)場(chǎng)區(qū)域。'電抗性'指的是發(fā)射天線和接收天線的互阻抗在本質(zhì)上可以呈容性，也可以呈感性。電抗性近區(qū)場(chǎng)有時(shí)也被稱為感應(yīng)場(chǎng)，意思是在這個(gè)區(qū)域中，磁場(chǎng)通常相對(duì)于電場(chǎng)來說處于支配地位。這時(shí)，天線就像一個(gè)非常大的集總參數(shù)的電感或電容，在近區(qū)場(chǎng)儲(chǔ)存著能量而不是通過空間發(fā)射出去。
對(duì)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線天線來說，電抗性近區(qū)場(chǎng)通常被認(rèn)為是離天線輻射中心半個(gè)波長(zhǎng)的區(qū)域。在稍后提及八木天線和方框天線的章節(jié)中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)天線單元之間的相互耦合可以被有目的地用來改變天線的方向圖。但對(duì)測(cè)量天線的方向圖來說，我們不希望兩副天線離得太近。
在電抗性近區(qū)場(chǎng)中，場(chǎng)強(qiáng)隨待測(cè)天線距離變化的規(guī)律是十分復(fù)雜的。越過電抗性近區(qū)場(chǎng)后，天線的輻射場(chǎng)又分為輻射近區(qū)場(chǎng)和輻射遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。歷史上，輻射近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)曾被分別稱為 Fresnel 場(chǎng)和 Fraunhofer 場(chǎng)。但這兩個(gè)術(shù)語已經(jīng)很少用了。雖然在電抗性近區(qū)場(chǎng)中，電抗性場(chǎng)占主要地位，但輻射場(chǎng)與電抗性場(chǎng)是共存的。
這些區(qū)域的界線十分模糊，專家們也一直為哪里是一個(gè)區(qū)域的開始哪里是一個(gè)區(qū)域的結(jié)束而爭(zhēng)論不休，但輻射近區(qū)場(chǎng)和輻射遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的界線的定義則被廣泛接受為：
其中 L 為天線的最大物理尺寸。這個(gè)定義的單位仍為波長(zhǎng)λ。請(qǐng)記住，有很多天線并不嚴(yán)格地遵守上式的規(guī)定。圖3描述了普通線天線的3種場(chǎng)。
圖3輻射天線周圍的場(chǎng)。非常接近近天線的是電抗場(chǎng)區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域內(nèi),天線與任何其他測(cè)量天線都都存在互阻抗。在電抗場(chǎng)外圍是近場(chǎng)輻射區(qū),直到大約為2L2/λ,其中 L 為天線最大尺寸長(zhǎng)度。在近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)邊界之外,存在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射,其功率密度隨著輻射距離的平方倒數(shù)變化。
我們主要討論天線的輻射遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，正是天線的輻射遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)把電磁波傳播開去的。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射的一個(gè)顯著特點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)與距離成反比，而且雖然電場(chǎng)與磁場(chǎng)在波前處是正交的，但在時(shí)間上是同相的。全部能量在電場(chǎng)與磁場(chǎng)間平均分配。離天線數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以外，這就是我們要考慮的全部的場(chǎng)了。要準(zhǔn)確地測(cè)量天線的輻射場(chǎng)，我們必須把測(cè)量?jī)x器放在離待測(cè)天線數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以外的地方。
方向圖平面
上面得到的天線方向圖只是其中的一個(gè)平面。在電簡(jiǎn)光強(qiáng)的測(cè)量例子中，所測(cè)量的平面上的點(diǎn)離地面的距離都是一樣的。實(shí)際上，任何天線的方向圖都是三維的，因此單個(gè)平面上的繪制是不夠的。自由空間中的'立體'方向圖應(yīng)該測(cè)量離天線中心等距離的假想中的球面上的每個(gè)點(diǎn)。這樣測(cè)得的信息就可以構(gòu)成一個(gè)立體的圖樣。在任何給定的方向上，某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)都與方向圖上相同方向上的點(diǎn)的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)﹣﹣與它們到天線的距離成反比。圖4( B ）所示為半波偶極天線的三維線格方向圖。
在業(yè)余無線電領(lǐng)域，場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)值就比較足夠了。換句話說，我們并不需要知道在天線加入一定功率下，在離天線1英里處會(huì)產(chǎn)生多少 uV / m 的電場(chǎng)（但在 FCC 標(biāo)準(zhǔn)中，這是 AM 廣播天線系統(tǒng)必須符合的規(guī)定）。
無論收集到（或用理論公式計(jì)算出來）什么數(shù)據(jù)，我們經(jīng)常對(duì)其值歸一化，使最大值剛好達(dá)到圖表的外沿。在極坐標(biāo)系中，方向圖的形狀并不會(huì)隨歸一化而改變，改變的只有方向圖的大小。
圖4自由空間偶極天線方向性圖。在 A 圖中，輻射圖形平面包含了導(dǎo)線軸線，每個(gè)虛線箭頭長(zhǎng)度表示了在此方向上，與導(dǎo)線軸線成直角方向的最大輻射為參照的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)。在大約45°和315°的箭頭為半功率或﹣3 dB 點(diǎn)。 B 圖的網(wǎng)格線表示了同一天線的立體輻射圖。這些同樣的輻射圖可以用于任何短于半波長(zhǎng)度的中心饋電偶極天線。
?E 面和 H 面方向圖
自由空間中天線的三維立體方向圖的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)并不能清楚地表示在平面白紙上。制圖師們也面臨過相似的問題，他們要把地球繪制在平坦的紙上。這時(shí)，橫截面圖表或平面圖表就十分有用了。其中有兩個(gè)平面上的圖樣可以表達(dá)出天線的方向圖的大部分信息，一個(gè)是包含偶極天線的平面，另一個(gè)是與之相垂直的平面。包含天線軸（偶極天線的天線軸指的是偶極天線的導(dǎo)線走向）的平面的方向圖稱為 E 面方向圖，與天線軸垂直的平面的方向圖稱為 H 面方向圖。之所以使用這種表示稱呼，是因?yàn)殡妶?chǎng)（ E ）和磁場(chǎng)（ H ）分別位于這兩個(gè)平面上。
電場(chǎng)線代表著天線的極化方向。垂直極化天線是天線導(dǎo)體垂直于地面架設(shè)的天線。
當(dāng)天線架設(shè)在地面上方而不是在自由空間時(shí)，我們將會(huì)自動(dòng)得出兩個(gè)參考框架﹣﹣方位角和仰角。方位角通常以天線的最大輻射處作為參照，并把此處定義為0°，也可以以地理正北作為方位角的參照。地面上方的天線的 E 面方向圖現(xiàn)在被稱為'方位角方向圖'。
仰角是以地表水平面作為參照的。地表水平面為0°。雖然地球是圓的，但由于其曲率很大，所以在這里可以認(rèn)為在天線下方的區(qū)域內(nèi)它是平的。90°仰角的方向就是天線的正上方，180°仰角的方向就是線正后方的水平面。
專業(yè)的天線工程師經(jīng)常以天線正上方的點(diǎn)作為參考﹣﹣也就是使用頂角而不用仰角。仰角可以由90°減去頂角得到。
以地球的水平面作參照，天線的 H 面方向圖現(xiàn)在稱為'仰角方向圖'。不像自由空間的 H 面方向圖，地面上方的天線的仰角方向圖只有一個(gè)半圓范圍，因?yàn)橹挥械乇砩戏降恼鼋欠秶强捎玫摹Ｓ捎诘孛娴姆瓷洌蛘哒J(rèn)為是負(fù)仰角的鏡像輻射，地表以下的輻射無需考慮。
在小小的練習(xí)和一定的想象之后，這兩個(gè)平面方向圖的引入就可以在相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度上把三維的方向圖展現(xiàn)出來，在這里我們假定天線的三維方向圖是'平滑'的，對(duì)于像半波偶極天線這樣的簡(jiǎn)單天線來說，這樣的條件是成立的。
正如前面說過的那樣，平面方向圖畫在極坐標(biāo)紙中。輻射為零的點(diǎn)稱為零點(diǎn)。從一個(gè)零點(diǎn)到另一個(gè)零點(diǎn)的曲線，或其相對(duì)應(yīng)的三維方向圖中的曲面，稱為波瓣。輻射最強(qiáng)的那一瓣稱為'主瓣'。圖4( A ）顯示了半波偶極天線的 E 面方面圖。在圖4中，偶極天線是放置在自由空間中的。方向圖中除了主瓣和零點(diǎn)外，還標(biāo)出了所謂的'半功率點(diǎn)'。這些點(diǎn)處的功率比主瓣的峰值點(diǎn)低3 dB 。
方向性與增益
現(xiàn)在讓我們更深入地討論方向性問題。如前所述，所有的實(shí)際中的天線，即使是最簡(jiǎn)單的天線，都會(huì)有一定程度的方向性。這里有另一幅圖可以用來解釋方向性的概念。圖5( A ）所示為吹成正常球體形狀的氣球。這表示一個(gè)'參考的'等方向性源。在圖5( B ）中，擠壓氣球中部，產(chǎn)生一個(gè)像8字形的偶極天線，它在頂部和底部的峰值比參考等方向性源的要大，將它與圖5( C ）相比較，下面，擠壓氣球的底端，產(chǎn)生一個(gè)輻射圖，它的增益比參等方向性源的要大。
自由空間中的天線的方向性可以在數(shù)量上把它的三維方向圖與各向同性天線比較。在假想的半徑為數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的理想球體中心放置的各向同性天線，其場(chǎng)強(qiáng)（單位面積的能量，或稱為'功率密度'）在假想球體的表面的每一點(diǎn)處都是一樣的。而在這個(gè)相同的假想球體的表面，待測(cè)天線輻射出與各向同性天線相同的功率，其方向性導(dǎo)致在某些點(diǎn)處功率密度大些，而在另一些點(diǎn)處功率密度小些。最大功率密度與整個(gè)假想球體表面的平均功率密度（等于各向同性天線在相同條件下的功率密度）之比可以用來衡量天線的方向性。也就是：
圖5用氣球做天線輻射增益的演示。用一個(gè)氣球，吹起來成為大概一個(gè)圓形，看作等方向性輻射體的輻射形狀，接下來，再吹一個(gè)同樣大小形狀的氣球，并告知聽眾把它當(dāng)作參考天線( A ）圖，然后擠壓第一個(gè)氣球中間，形成一個(gè)8字形狀，這就是一個(gè)偶極天線輻射形狀，并將最大尺寸與參考天線作比較，( B ）圖。偶極天線可以看作相對(duì)于參考的等方向輻射體有一些'增益'。接下來，再將第一個(gè)氣球尾部進(jìn)行擠壓，變成一個(gè)香腸的樣子，這就演示了某類定向天線產(chǎn)生的輻射形狀。
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