在講述實際中的天線之前，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。再想象一下有一個無限小的發射機給這副無限小的點天線饋電。現在你該對各向同性輻射體有了一點印象了。

這種僅在理論上存在的點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量一副實際中的天線時是很有用的。

稍后，你會發現所有真實的天線都會有一定程度的方向性，也就是說在某個方向輻射強些，在其他方向上輻射弱一些。真實的天線不會在所有方向上有相同的輻射強度，在某些方向上其輻射強度甚至可能為零。真實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，接收從某個方向過來的信號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強圖樣聯系在一起的。這種顯示在離天線固定遠處，場強隨天線的方向變化的函數關系的真實或相對的圖樣，稱為天線的方向圖。我們雖然不可能實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類似的情況。

圖1顯示了在一個完全黑暗的房間里的一束電簡的光。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計來測量，并把其亮度分為0至10級。我們把光強計放在電簡的正前方，并調整光強計與電筒的距離，使光強計讀數為10，即滿量程。我們還要認真地記下光強計與電簡的距離。然后，保持光強計與電筒的這個距離以及光強計離地面的高度，把光強計按箭頭所示方向繞電簡移動，在若干個不同的位置記下光強計的讀數。

記下所有讀數后，我們把這些讀數記在極坐標紙上，如圖1所示。完成后，我們就畫出電簡光的方向圖樣了。天線方向圖的測量

天線的方向圖也可以用類似的方法進行測量。對待測的天線加上一定的功率，用場強儀測量信號的強度。我們可以轉動待測的天線，而不是移動測量儀器。我們也可以利用天線的互易原理，天線的接收圖樣和發射圖樣是一樣的。給小功率發射機接上天線，對待測天線發射，而待測天線則接到測量儀器上。在第27章"天線和傳輸線測量"中，有關于測量天線方向圖的更多技巧的介紹。

為保證測量是準確并可重復實驗的，有一些問題是必須注意的。在電簡光強的測量中，假設光源與光強計的距離為2m，約6.5英尺。可見光的波長約為0.5 μ m ,而1μ m 是1/1000000 m 。

在電筒光強的測量中，光源與檢測器的距離為2.0/(0.5x10??)=4000000λ，相對于波長來說非常大。而在對實際的短波或超短波天線的測量中，這個距離如果以波長為單位計算的話就要小得多了。例如，一副全波長的3.5 MHz 天線長為85.7 m ，即281.0英尺，如果要按照電簡光強的測

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圖2在圖1電筒的照射圖形。這些測量值用平滑曲線連接起來畫出。

量的距離進行測量，我們幾乎要把場強儀放到月球上去了，要25萬英里！

天線周圍的場

場強儀有自己的接收天線，為什么我們要考慮待測天線與場強儀之間的距離呢？其中一個重要的原因是如果你把場強儀的接收天線放得離待測天線很近，兩副天線的相互耦合會使待測天線的方向圖發生變化。

這種相互耦合會在離待測天線很近的區域發生。這個區域稱為天線的電抗性近區場區域。"電抗性"指的是發射天線和接收天線的互阻抗在本質上可以呈容性，也可以呈感性。電抗性近區場有時也被稱為感應場，意思是在這個區域中，磁場通常相對于電場來說處于支配地位。這時，天線就像一個非常大的集總參數的電感或電容，在近區場儲存著能量而不是通過空間發射出去。

對簡單的導線天線來說，電抗性近區場通常被認為是離天線輻射中心半個波長的區域。在稍后提及八木天線和方框天線的章節中，你會發現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。但對測量天線的方向圖來說，我們不希望兩副天線離得太近。

在電抗性近區場中，場強隨待測天線距離變化的規律是十分復雜的。越過電抗性近區場后，天線的輻射場又分為輻射近區場和輻射遠區場。歷史上，輻射近區場和遠區場曾被分別稱為 Fresnel 場和 Fraunhofer 場。但這兩個術語已經很少用了。雖然在電抗性近區場中，電抗性場占主要地位，但輻射場與電抗性場是共存的。

這些區域的界線十分模糊，專家們也一直為哪里是一個區域的開始哪里是一個區域的結束而爭論不休，但輻射近區場和輻射遠區場的界線的定義則被廣泛接受為：

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其中 L 為天線的最大物理尺寸。這個定義的單位仍為波長λ。請記住，有很多天線并不嚴格地遵守上式的規定。圖3描述了普通線天線的3種場。

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圖3輻射天線周圍的場。非常接近近天線的是電抗場區域,在這個區域內,天線與任何其他測量天線都都存在互阻抗。在電抗場外圍是近場輻射區,直到大約為2L2/λ,其中 L 為天線最大尺寸長度。在近場/遠場區邊界之外,存在遠場輻射,其功率密度隨著輻射距離的平方倒數變化。

我們主要討論天線的輻射遠區場，正是天線的輻射遠區場把電磁波傳播開去的。遠區場輻射的一個顯著特點是場強與距離成反比，而且雖然電場與磁場在波前處是正交的，但在時間上是同相的。全部能量在電場與磁場間平均分配。離天線數個波長以外，這就是我們要考慮的全部的場了。要準確地測量天線的輻射場，我們必須把測量儀器放在離待測天線數個波長以外的地方。

方向圖平面

上面得到的天線方向圖只是其中的一個平面。在電簡光強的測量例子中，所測量的平面上的點離地面的距離都是一樣的。實際上，任何天線的方向圖都是三維的，因此單個平面上的繪制是不夠的。自由空間中的"立體"方向圖應該測量離天線中心等距離的假想中的球面上的每個點。這樣測得的信息就可以構成一個立體的圖樣。在任何給定的方向上，某點的場強都與方向圖上相同方向上的點的強度相對應﹣﹣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。

在業余無線電領域，場強的相對值就比較足夠了。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英里處會產生多少 uV / m 的電場（但在 FCC 標準中，這是 AM 廣播天線系統必須符合的規定）。

無論收集到（或用理論公式計算出來）什么數據，我們經常對其值歸一化，使最大值剛好達到圖表的外沿。在極坐標系中，方向圖的形狀并不會隨歸一化而改變，改變的只有方向圖的大小。

?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強數據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，橫截面圖表或平面圖表就十分有用了。其中有兩個平面上的圖樣可以表達出天線的方向圖的大部分信息，一個是包含偶極天線的平面，另一個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，是因為電場（ E ）和磁場（ H ）分別位于這兩個平面上。

電場線代表著天線的極化方向。垂直極化天線是天線導體垂直于地面架設的天線。

當天線架設在地面上方而不是在自由空間時，我們將會自動得出兩個參考框架﹣﹣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，所以在這里可以認為在天線下方的區域內它是平的。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。

專業的天線工程師經常以天線正上方的點作為參考﹣﹣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半圓范圍，因為只有地表上方的正仰角范圍是可用的。由于地面的反射，或者認為是負仰角的鏡像輻射，地表以下的輻射無需考慮。

在小小的練習和一定的想象之后，這兩個平面方向圖的引入就可以在相當的準確度上把三維的方向圖展現出來，在這里我們假定天線的三維方向圖是"平滑"的，對于像半波偶極天線這樣的簡單天線來說，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紙中。輻射為零的點稱為零點。從一個零點到另一個零點的曲線，或其相對應的三維方向圖中的曲面，稱為波瓣。輻射最強的那一瓣稱為"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外，還標出了所謂的"半功率點"。這些點處的功率比主瓣的峰值點低3 dB 。

方向性與增益

現在讓我們更深入地討論方向性問題。如前所述，所有的實際中的天線，即使是最簡單的天線，都會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"參考的"等方向性源。在圖5( B ）中，擠壓氣球中部，產生一個像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，產生一個輻射圖，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。在假想的半徑為數個波長的理想球體中心放置的各向同性天線，其場強（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處都是一樣的。而在這個相同的假想球體的表面，待測天線輻射出與各向同性天線相同的功率，其方向性導致在某些點處功率密度大些，而在另一些點處功率密度小些。最大功率密度與整個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：

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圖5用氣球做天線輻射增益的演示。用一個氣球，吹起來成為大概一個圓形，看作等方向性輻射體的輻射形狀，接下來，再吹一個同樣大小形狀的氣球，并告知聽眾把它當作參考天線( A ）圖，然后擠壓第一個氣球中間，形成一個8字形狀，這就是一個偶極天線輻射形狀，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于參考的等方向輻射體有一些"增益"。接下來，再將第一個氣球尾部進行擠壓，變成一個香腸的樣子，這就演示了某類定向天線產生的輻射形狀。

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其中 D 稱為"方向系數", P 為假想球體表面最大功率密度， Pav為平均功率密度。

天線的增益與天線的方向系數密切相關。因為天線的方向系數只由天線的方向圖決定，它并不關心實際天線中的任何功率損失。在計算增益的時候，必須把這些損失從加在天線上的功率中減去。一般來說，這些功率損失占天線輸入功率的一個固定的百分比，因此天線的增益為?

其中 G 為天線的增益（以功率比表示）, D 為方向系數， k 為天線效率（輻射功率除以輸入功率）, P 和 Pav如前面定義。

對業余無線電用的很多天線來說，天線的效率是很高的（損耗部分只占總功率的百分之幾）。這時，天線增益可近似地認為等于天線的方向系數。天線的方向圖壓縮得越厲害﹣﹣或者用通用的術語說，天線的波瓣越尖銳，天線的增益就越高。得出這個結論是很自然的，天線的輻射功率要在某個方向上比較大，其他方向上自然比較小，那么天線的波瓣就比較窄了。這樣天線輻射出去的能量就集中在某些方向上，其他方向上能量就比較小。一般來說，在相同波瓣半徑的三維方向圖中，波瓣體積越小，功率增益越高。

如前所述，天線的增益與方向系數有關，而方向系數又與方向圖形狀有關。天線方向圖主瓣寬度是一個常用的衡量天線方向性的指標，這也是與天線增益相聯系的。這個寬度以兩個半功率點即﹣3 dB 點之間所夾的角度表示，常被稱為"波束寬度"。

這一信息只能給出天線相對增益的大體概念，而不是確切的測量。因為絕對數據的測量需要知道假想球體表面上每一個點的功率密度，而單個平面的方向圖只能表示出球體中的一個大圓所在平面的情況。習慣上，在對幾副天線進行對比之前，必須起碼測量各自的 E 面和 H 面方向圖。可以用下式來估算天線相對于各向同性天線的增益，但條件是天線的副瓣相對于主瓣較小，而且天線在電阻上的（熱）損耗也較小。如果天線的方向圖比較復雜，就需要用數值方法才能得出實際的增益了。?

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其中H3dB和 E3dB分別表示對應平面上的半功率瓣寬，單位為度。

不同頻率下中心饋電的偶極天線的方向圖

較早前，我們看到了中心饋電的偶極天線饋電點處的阻抗隨頻率變化的情況。這種天線的方向圖又是怎樣隨頻率改變的呢？

總的來說，中心饋電天線的長度越長（以波長為單位），其方向圖就分割越多的波瓣。所有這些方向圖的一個共同特點是：主瓣﹣﹣在固定距離下強度最大的點所在的波瓣﹣﹣總是和天線成最小的角度。而且當天線長度增長時，這個角度減小。

讓我們看看用14號（#14）導線做成的100英尺長偶極天線的自由空間方向圖是怎樣隨頻率變化的（改變頻率也就是改變固定長度天線的波長）。圖6顯示了在4.8 MHz 半波諧振點處天線的 E 面方向圖。這是偶極天線的典型方向圖，其相對于各向同性天線的自由空間增益為2.14 dBi 。

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圖6自由空間100英尺長度偶極天線，工作在4.80 MHz 半波諧振頻率時的 E 平面輻射圖。該天線增益為2.14 dBi ，偶極天線沿著90°~270°方向擺放。

?圖7顯示了相同天線在9.55 MHz 全波（2λ/2)諧振點處的 E 面方向圖。請注意這個方向圖被"夾緊"了。換句話說，在這個頻率上，兩個主瓣變得更尖銳了，增益變成了3.73 dBi ，比半波頻率時高。

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圖7自由空間100英尺長度偶極天線，工作在9.55 MHz 全波諧振頻率時的 E 平面輻射圖。增益增加到3.73 dBi ，因為其主瓣相對圖13的要集中和尖銳些。

圖8顯示了相同天線在14.6 MHz (3λ/2）諧振點處的 E 面方向圖。比起圖2-14來說，這時出現了更多的波瓣。這意味著功率被分散到更多的波瓣中，因而天線的增益降低了一點，為3.44 dBi 。這仍比半波頻率時的增益高，但比全波頻率時的增益低。圖9顯示了相同天線在19.45 MHz 兩倍波長（2λ）諧振點處的 E 面方向圖。現在方向圖又重新合并成只有4個波瓣了。而增益上升為3.96 dBi 。

圖8自由空間100英尺長度偶極天線，工作在14.60MHz,3/2λ諧振頻率時的 E 平面輻射圖。輻射形狀裂為6個波瓣，因此最大增益下降為3.44 dBi 。?

?圖9自由空間100英尺長度偶極天線，工作在19.45MHz,兩倍全波長諧振頻率時的 E 平面輻射圖。輻射形狀裂為4個波瓣，最大增益為3.96 dBi 。

固定長度天線的方向圖﹣﹣并由之而決定天線的增益﹣﹣隨頻率變化得相當顯著。當然，如果把頻率固定下來，而改變天線的長度，情況是一樣的。在這兩種情況下，波長都是在變化的。另外，還可以明顯地看出在某些天線長度上天線增益得以增強。如果天線的方位角不變，當頻率改變時，峰值增益處的位置也是要改變的。也就是說，主瓣的位置也會隨頻率的變化而變化。