無論是在雷達(dá)通信還是電子戰(zhàn)中，天線都是一個(gè)重要的組成部分，它將無線電波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為無線電波。天線的性能是通過其方向圖來描述的，它展示天線在各個(gè)方向上發(fā)送或接收信號(hào)的強(qiáng)度。

天線模型

天線的半功率波束寬度是描述天線主瓣的寬度的一種方式。主瓣是天線發(fā)射功率最大的方向。垂直和水平半功率波束寬度是主瓣在垂直和水平方向上的寬度。為了進(jìn)行天線的計(jì)算，通常會(huì)采用一些簡化或模型。將垂直和水平半功率波束寬度分別使用矩形模型，可得到一個(gè)天線的矩形模型。實(shí)際上，由于天線的發(fā)射和接收特性在不同的方向上會(huì)有所不同，所以當(dāng)我們將垂直和水平半功率波束寬度組合起來考慮時(shí)，結(jié)果更像是一個(gè)實(shí)心角。這意味著天線方向圖的形狀實(shí)際上更接近于一個(gè)橢圓，而非矩形。這個(gè)橢圓形模型更準(zhǔn)確地反映了天線的性能，因?yàn)樗紤]了在所有方向上的信號(hào)強(qiáng)度，而不僅僅是在主瓣的方向上。因此，這種模型更適用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化天線，以滿足特定的應(yīng)用需求。

圖中兩種模型之間的差異對(duì)應(yīng)著16和4π之間的差異，約為78%。為了糾正這些相對(duì)于真實(shí)天線的偏差，可使用天線效率因子ka來進(jìn)行估計(jì)。不同波長和天線尺寸下的天線模型的邊界并沒有統(tǒng)一的定義，根據(jù)波長λ和天線尺寸的大小，天線的輻射場分為三個(gè)區(qū)域，分別是電抗性近場，輻射近場（又稱為“菲涅耳區(qū)Fresnel”），以及輻射遠(yuǎn)場（又稱為“夫瑯和費(fèi)區(qū)Fraunhofer”）。

射頻信號(hào)加載到天線后，緊鄰天線除了輻射場之外，還有一個(gè)非輻射場。該場與距離的高次冪成反比，隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個(gè)區(qū)域，由于電抗場占優(yōu)勢(shì)，因而將此區(qū)域稱為電抗近場區(qū)，它的界限通常取λ/2π。超過電抗近場區(qū)就到了菲涅耳區(qū)。

在近場和菲涅耳區(qū)，無論輻射天線類型如何，從天線發(fā)出的輻射基本上都是球形波前(等相位面)，而在夫瑯和費(fèi)區(qū)域，波前可以用平面波表示。

天線增益與方向圖

天線增益和方向圖是描述天線性能的兩個(gè)重要參數(shù)。天線增益是一個(gè)衡量天線能夠?qū)⑤斎牍β始械教囟ǚ较虻哪芰Φ膮?shù)。相對(duì)于一個(gè)理想的全向天線（在所有方向上均勻發(fā)射和接收信號(hào)）或者一個(gè)理想的偶極子天線（在垂直方向上發(fā)射和接收信號(hào)）的。增益越高，天線在特定方向上發(fā)送和接收信號(hào)的能力就越強(qiáng)。天線增益通常用dBi（相對(duì)于一個(gè)理想的全向天線）或者dBd（相對(duì)于一個(gè)理想的偶極子天線）來表示。

方向圖則是一個(gè)圖形表示，描述了天線在不同方向上發(fā)送和接收信號(hào)的能力。方向圖通常在極坐標(biāo)或者球坐標(biāo)中表示，其中角度代表方向，距離或者顏色代表信號(hào)強(qiáng)度。方向圖可以幫助我們理解天線的輻射模式，包括主瓣（天線最強(qiáng)的發(fā)射和接收方向）和副瓣（天線其他的發(fā)射和接收方向）。

天線增益和方向圖是相互關(guān)聯(lián)的。一般來說，天線的增益越高，其主瓣在方向圖上就越窄，意味著天線在特定方向上的發(fā)射和接收能力更強(qiáng)。反之，如果天線的增益較低，其主瓣在方向圖上就越寬，這意味著天線在更廣的方向上都有較好的發(fā)射和接收能力。

理論模型中的天線效率和增益通常是理想化的，因此與實(shí)際天線的性能可能有所不同。實(shí)際天線的效率和增益可能會(huì)受到多種因素的影響，包括天線的設(shè)計(jì)、制造材料、安裝位置、工作頻率等。理論模型可以提供一個(gè)關(guān)于天線性能的基本理解，在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)和調(diào)整，以達(dá)到最佳的性能。

以非對(duì)稱55%效率的拋物面天線為例，它的增益會(huì)相對(duì)較高。這是因?yàn)閽佄锩嫣炀€能夠?qū)⒏嗟妮斎牍β始械街靼辏瑥亩谔囟ǚ较蛏蠈?shí)現(xiàn)更高的發(fā)射和接收能力。

這意味著如果是對(duì)稱的拋物面天線，波束寬度如果是1°，那么它的增益約為43.6dBi。如果效率不同，那么相對(duì)于55%效率的拋物面天線，需要做一定的調(diào)整，具體如下表：

具有窄波束寬度的高增益天線可以提供強(qiáng)大的遠(yuǎn)距離信號(hào)，但它需要精確的瞄準(zhǔn)或定位。相反，具有寬波束寬度的低增益天線不需要精確的瞄準(zhǔn)，使其更適合短距離或移動(dòng)應(yīng)用。

常見的天線類型

每種天線類型都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)，具體可以查看下表。

審核編輯 黃宇