如果你正在手机或笔记本电脑上阅读这篇文章，那这都得感谢天线。天线是我们生活互联不可或缺的一部分，让一切成为可能，从玩游戏、驱动汽车导航系统，到操控深空中的小行星。但尽管天线已经无处不在，天线的设计和应用却千差万别。
天线是如何工作的？
从简单的线状偶极子天线到相控多输入多输出（MIMO）阵列，所有天线本质上做的是同一件事——发送和接收电磁信号。为此，电信号被转换成可传输的电磁波。信息随后通过特定波长的信号在空气中传输，由目标地点的另一副天线接收并解译。
图：喇叭天线仿真图示
通过空间传送信号，天线让我们能够以光速跨越遥远距离进行通信。这种无线连接对于我们医疗、航空航天、通信和交通等多个行业的发展至关重要。随着天线应用的不断扩展，满足各种使用场景所需的天线类型也在不断增多。
为什么会有不同类型的天线？
诸如作用距离和可用空间等多种因素，决定了特定应用场景下最合适的天线类型。例如，用于保持飞机与控制塔联系的天线，就与你蓝牙咖啡杯里的天线大不相同。两者都需要具备全向能力的天线，但飞机需要的作用距离远得多，而咖啡杯则需要能适应极小空间的天线。
天线设计的考量因素：
- 带宽：特定信号的频率范围
- 极化：天线辐射电场的方向
- 方向性：辐射集中在单一方向的程度
- 物理空间：天线必须适配区域的尺寸
- 增益：在峰值辐射方向上传输的功率大小
- 效率：天线辐射功率与其输入功率的比值
常见天线类型
了解常见天线类型的一般特性，将有助于我们为不同场景选择合适的天线。如下图所示为天线类型示例，从左至右依次是：喇叭天线、缝隙天线、八木-宇田天线、矩形贴片天线。
- 半波偶极子天线
半波偶极子基于偶极子天线，这是由两根导电杆或导线构成的最简单的实用天线。“半波”指的是天线在工作频率下的物理尺寸为半个波长。因其设计制造简单，半波偶极子天线非常普遍。
事实上，几乎所有天线都基于此设计，它具有纯净的线性极化和旋转对称的辐射方向图。一副半波偶极子天线由长度为 L = λ/2 的线性导电单元构成，通常在其长度中间插入间隙进行馈电。虽然通常认为它是窄带天线，但增加构成天线主体的导线半径是增加带宽的有效方法。
- PIFA天线（平面倒F天线）
平面倒F天线（PIFA）常见于手机和几乎所有的电子设备中。作为偶极子的一种变体，这种天线制造成本非常低廉，并且可以印刷成多种变体以实现不同的带宽，是适应狭小空间的理想选择。
图：PIFA天线图示
- 喇叭天线
喇叭天线常用于需要极高方向性的应用，例如雷达测速枪。它们的几何结构相当简单，能以更低的损耗处理更高的功率。一副喇叭天线由一段波导构成，该波导在末端向外张开并以开放孔径终止。张开的目的是增加天线的方向性，并收窄张开平面内的波束宽度。
图：喇叭天线仿真图示
为了形成天线的喇叭口，喇叭天线可以仅在电场方向张开（E面扇形喇叭），或仅在磁场方向张开（H面扇形喇叭），或在两个方向都张开（角锥喇叭）。
喇叭天线通常具有很宽的带宽，工作在波导的截止频率以上，并辐射与波导内电场方向一致的线性极化波。
- 八木-宇田天线
八木-宇田天线有时简称为“八木”天线，由一副单独的偶极子天线构成，该偶极子工作于其他（非驱动的）线性导电单元组成的阵列中。这种天线在方向性至关重要的应用中非常有效，常被用作电视接收天线。
图：八木-宇田天线仿真图示
八木-宇田天线中反射器和导向器的确切数量各不相同，但典型设计包括一个“反射器”单元和三个“导向器”单元。反射器单元略长于偶极子，而导向器单元则略短于偶极子。与具有旋转对称辐射方向图的孤立偶极子不同，八木-宇田天线具有高度方向性，其最大辐射方向朝向导向器，背离反射器。 与偶极子类似，八木-宇田天线是窄带的并具有线性极化，其电场方向与偶极子对齐。
- 缝隙天线
缝隙天线基于与偶极子天线相同的概念，但它们使用不同的电流——磁流而非电流。它们可以在飞机的机头锥和电路板上找到。缝隙天线由一个矩形（半波长长）的“缝隙”构成，该缝隙开在原本平坦的导体平面上。
图：缝隙天线仿真图示
根据巴比涅原理，其工作原理类似于半波偶极子天线。其辐射场也大致类似于半波偶极子天线，但电场和磁场的极化方向大致互换了。缝隙天线的辐射方向图近似于偶极子天线，但由于接地平面的截断会引入轻微的不对称性。缝隙天线的带宽随缝隙宽度而变化，并且是线性极化的，其电场方向垂直于缝隙的长度。
- 矩形贴片天线
矩形贴片天线是薄型应用中最常见的选择，通常印刷制作以适应手机等平坦空间。虽然贴片天线的概念简单，但它可以轻松修改以实现更宽的频带、提高隔离度或在多个频率上工作。
矩形贴片天线图示
矩形贴片天线由一个宽度（W）和长度（L）的矩形导电单元构成，该单元放置在厚度为（d）、相对介电常数为（εr）的介质基板表面上，并带有导电背板。贴片天线的辐射源于贴片下方空腔中场的谐振。
当天线长度略小于导波波长的一半时会发生这种谐振，因为贴片两端的场边缘效应使得贴片的“电长度”大于其物理长度。矩形贴片天线通常通过微带线馈电、穿过介质基板的同轴探针馈电，或通过与谐振腔或其他邻近谐振器耦合来馈电。