天线是将电信号与电磁波相互转换的装置，其核心工作原理基于麦克斯韦方程组和电磁场理论。以下分层次解释其工作原理，并介绍常见天线类型的工作机制：

一、核心工作原理：电磁辐射与接收

1. 发射过程（电→磁→波）

   • 发射天线输入端输入时变交变电流（如射频信号）。
   • 电流在天线导体中流动，根据安培定律产生交变磁场。
   • 变化的磁场激发变化的电场（法拉第电磁感应定律），电场与磁场相互作用形成自维持的电磁波脱离天线，以光速传播。

2. 接收过程（波→磁→电）

   • 空间中的电磁波传播到接收天线表面。
   • 电磁波的电场分量在天线导体上感应电荷，形成交变电压。
   • 磁场分量在导体中感应交变电流。
   • 电荷与电流共同作用产生电信号，通过馈线传输至接收机。

关键点：

• 互易定理：天线发射与接收特性可逆。
• 共振效应：当天线长度 ≈ 电磁波的半波长（( L ≈ λ/2 )）时，辐射效率最高。
• 辐射方向图：天线在不同方向的辐射/接收强度分布由结构设计决定。

二、常见天线类型及工作原理

1. 偶极子天线（Dipole Antenna）

• 结构：两根直线导体，总长≈半波长（( λ/2 )）。
• 原理：
  输入电流在导体间振荡，电荷在两端积累形成电偶极子，产生对称的电磁场辐射。辐射方向呈“8”字形，垂直于天线轴。
• 应用：FM收音机、对讲机。

2. 单极天线（Monopole Antenna）

• 结构：垂直单导体（( λ/4 )长度），需接地平面反射。
• 原理：
  利用地面作为镜像，等效为一个偶极子。辐射方向图集中于上半空间。
• 应用：车载天线、手持电台。

3. 贴片天线（Patch Antenna / Microstrip）

• 结构：金属贴片（方形/圆形）覆盖在介质基板上，底部为接地板。
• 原理：
  贴片与接地板之间形成谐振腔。贴片边缘的边缘场辐射电磁波，方向垂直于贴片表面。
• 特点：轻薄、易集成。
• 应用：GPS模块、手机/WiFi内置天线。

4. 抛物面天线（Parabolic Antenna）

• 结构：金属抛物面反射器 + 焦点处的馈源（如喇叭天线）。
• 原理：
  • 发射：馈源发出的球面波经抛物面反射后变为平面波，实现高方向性波束。
  • 接收：平行入射的电磁波被反射汇聚到焦点处的馈源。
• 增益：与抛物面直径成正比（直径越大，波束越窄，增益越高）。
• 应用：卫星通信、射电望远镜。

5. 八木天线（Yagi-Uda Antenna）

• 结构：一个驱动振子 + 多个无源振子（引向器、反射器）。
• 原理：
  • 驱动振子激励电流产生辐射。
  • 反射器延长电流相位，使能量向前集中。
  • 引向器缩短电流相位，进一步引导波束。
• 特点：高增益、定向性强。
• 应用：电视接收、无线电测向。

6. 螺旋天线（Helical Antenna）

• 结构：金属导线绕成螺旋状（周长≈λ）。
• 工作模式：
  • 法向模：螺旋周长<<λ，辐射方向垂直于轴线（全向）。
  • 轴向模：螺旋周长≈λ，辐射方向沿轴线（圆极化波）。
• 应用：卫星通信（抗极化失配）、UHF频段。

7. 相控阵天线（Phased Array Antenna）

• 结构：多个天线单元规则排列。
• 原理：
  通过控制每个单元的馈电相位差，合成特定方向的波束（波束扫描）。
  公式：相邻单元相位差 ( Δφ = \frac{2πd}{\lambda} \sinθ )（d为间距，θ为波束角）。
• 优势：电子扫描（无机械转动）、自适应波束成形。
• 应用：雷达、5G基站、星链卫星。

三、天线关键参数

1. 方向性（Directivity）：能量在空间的集中程度。
2. 增益（Gain）：方向性 + 效率，单位dBi（相对全向天线）。
3. 阻抗匹配：天线输入阻抗与馈线特性阻抗匹配（常为50Ω）以减小反射。
4. 极化方式：线极化（垂直/水平）、圆极化（左旋/右旋）。
5. 带宽：天线性能满足指标的工作频率范围。

总结

天线工作的物理本质是电磁场与导体的相互作用：通过设计导体结构控制电磁波的辐射效率、方向和极化，实现信号与空间波的转换。现代无线系统（如5G/6G）依赖天线技术的突破（如大规模MIMO、智能超表面），推动通信向高频、高集成度、可重构方向演进。