天线和传输线

“天线”，俄罗斯的伟大发明家A．C．波波夫发明世界上第一根天线时叫它是“触发”，他曾经用许多轻气球系着一根铜线伸到天空，于是这根铜线就是一根对电磁波感触灵敏的触发，原来只能指示近处有无雷电的雷电指示器，接上“天线”，就灵敏得多，可以指示很远地方所发生的雷电。

当人们仿效天空发生闪电的情形，开始试用两个带着正电和负电的铜球，产生火花放电时，人们就发现了接铜球的两根导线上，也会“辐射”电磁波，后来把这两根铜线伸到天空，再进行同样的试验，辐射的电磁波便走得更远。因此人们进一步了解这种“伸到天空去的导线”原来又是良好的电磁波辐射器。

无线电技术的向前发展，更明确了“天线”的基本作用，一付天线在接收时所有的特性，发射时也会有同样的特性。天线的特性，主要的是它的“方向性”、“增益”和“辐射图型”。

用号筒传话，在筒口所对的方向听起来声音特别响亮，我们就是利用了话筒的“方向性”，话筒把原来四散的声音，集中到一个方向，比较不用号筒，这方向的“音量”显然是增加了，这样我们所得到的是朝这方向传音的“增益”。

把“传音”改为“电磁波辐射”，把“音量”改为“电磁场的强度”，天线的“方向性”和“增益”也就和传声的“方向性”和“增益”有同样的意义。人们现在所使用的天线，早已不是一两根简单的导线了，往往把做天线用的导线，排列起来，以得到不同的辐射面积，产生不同的“方向性”和“增益”。同样的工作频率，辐射面积愈大，“方向性”和“增益”都加强。

但“方向性”和“增益”还是指天线对某一特殊方向辐射的电磁场强度来说的，如果要了解天线向各个方向辐射的状况，就要用“辐射图型”。辐射图型”就是天线在任何水平面或垂直面上所辐射的电磁场强度随辐射角度而变化的情形。设若一个人背着一个接收机或测场强的仪器在天线周围测试，在等场强的点记下位置，然后在图上绘出这些点来，把场强相同的点联接起来就成为一张“辐射图型”了。（可参考图3的譬喻）

雷达里也有时用类似号筒的“号角天线”，方向性强，所对准的方向，目标极容易发现，但同时还要不受其他方向来的信号所扰乱，所以必须掌握它整个的“辐射图型”；电视中，采用上下叠放着的伞形天线，把整个辐射图型“压扁”，只朝水平方向辐射电磁波，传到家家户户去；飞机场外不远的地方，时常架着几排水平的铜线，它们的下面还放着一个铜丝网，这是一种“示标天线”，它的辐射图型专门朝正上方，在飞机飞过辐射最强的区域时使信号灯闪亮以警告驾驶员使他知道自己进入了机场。这都是巧妙的利用辐射圆型的例子。

假设在城东郊有个广播电台，就应当用很大的角度朝西辐射；在城中央的广播电台，就应当同样的强度向四围辐射；只有这样，全市的居民，才能收到它们广播的节目。所以同样是担任广播工作的天线，位置不同，辐射图型也应当不同。

天线的结构，要有种种特殊的形状，主要是为了得到种种不同的辐射图型。

在天线的设计制造上，无线电工程师们确实显示了他们的才能。任何天线都是一些导线和各种形状的导电体的组合；但归根到底都可看成是一些导线。例如一个号角天线，它的四边是导电体，细分还是一条条的导线；一个广播铁塔，显然也是这样。那么作为天线的导线，和普通导线到底有什么不同呢？

自然，天线还是导线，电流可以在里面来回流动，并没有什么两样。但是谈到天线里的电流，却有它的一些特点。在普通接电灯的导线里，无论那一点上，电流的大小都是一样的，但天线上各点的电流，并不完全一样。例如天线终端，自然没有电流；因为电流不能由导线向天空流；而线上其余的许多地方是有电流的，否则它是不能够辐射电磁波的。沿着天线，这里电流是2安，那里就可能是10安，这就是天线上电流分布的特点。下面我们结合着电流分布情形的分析，再谈谈通信和广播天线。

在无线电通信中多半用一种所谓“传输线”把电流送到天线里去，因此要了解电流在通信天线上分布的一般情形，请先看“传输线”。

最简单的传输线，是两根平行的导线，一端接到天线，另一端接到发信机或收信机。天线和传输线里的电流，都是高频率的电流。

我们不应当把传输线单纯的看成是高频电流的传导体，而应当看成为高频电磁波的传播体。

例如从发信机伸出两个线头来，照样可以激发电磁波，四散传播；不过只有两个激发点，辐射电磁波的效率不强。接上传输线后，电磁波仍旧存在，它的电场里的电力线一旦接触着两根导线表面，便在接触处同时出现了电荷，一处如果有正电荷，另一处就有负电荷，因为电力线的方向是从正电荷到负电荷的。

电磁波向前走，两导线表面所引起的电荷也跟着它走。电荷的走动是电流，这就是所谓“行波电流”。

水面上有水波播散时，各处水分子的波动并不一致，同一时间，有的向上，有的向下；同一方向，有的波动大，有的同时波动小。沿传输线各点的行波电流，大小和方向，也有同样的情形，只是我们看它不见罢了。

值得注意的是在传输线所占的空间；出现了电荷，而电力线是向电荷集中的，它们集中的由正电荷到负电荷。因此原来四散的电场，现在就集中在两导线中间，顺着导线传播，传输线实际起了引导电磁波的作用。发信机所发出的电力，因此就顺着传输线一直跑到天线上去。

天线有着各种各样的形状，而我们所谈的传输线是两根平行的导线，传输线对天线，好像河流对湖沼一样，由小河进入湖沼的水波，是什么样子呢？很显然的，如果进口狭窄，水波部分的被反回来，将顺着河道往回传，影响原来行波在水面上起伏的形状；如果进口突然变大，在口上一定会产生涡流，水波也会旋回返入小河里，同样影响原来行波形状；只有当进口逐渐缓慢的变化时，水波方能顺畅的向前行进。这时湖沼就像是小河的无限延长，因为它没有丝毫的反射作用。

同理，两根平行导线上电荷正负相对，电流的方向相反，它们对远处的辐射作用相消，必须利用“张开”的导线所组成的天线，方能产生电磁波幅射；一旦接到天线像小河的水流进大湖一样，又可能产生反射作用；把电力反回来，不能全部进入天线。所以传输线对天线必须“匹配”得适当。我们经常调整天线，主要的目的，不仅存于要它很好地辐射，还要使它能相当于一个无穷延长了的传输线；对传输线里的行波不起反射作用而形成损失。

上面我们所谈的是传输线的行波。天线和传输线所面临的境界不同。行波电流顺天线走到终端，遇见了完全不同的物质——空气，对于电流讲这是一个突变，再也不能向前流，全部被终端反射回来。结果，天线上不可能得到单纯的行波电流。

这时所出现的是一种完全不同的情况。一去一返的两个波同时存在，相互对峙，形成各不相让，大家都不能再行进的样子，结果便成了一种“驻波”。驻波实际是一往—返的两个行波电流，沿导线相互加减的结果。相加最大的地方是“波峰”点，相减最小的地方是“波谷”点，相邻的波峰点和波谷点中间的距离，相当于\(\frac{1}{4}\)波长。这就是在一定和长度的天线上电流分布的形状。

我们调整天线，一定要得到最大的驻波，驻波愈大，辐射能力愈强。有些天线，长短不适合（天线的长度，是用波长来衡量的，例如\(\frac{1}{4}\)波长或半波长的天线），往返的行波相遇，得不到很好的驻波；有的天线上的电阻大，行波电流愈来愈小，加起来也得不到最大的驻波。所以驻波的大小是天线的品质如何的一种衡量。

上面，我们是将天线作为辐射器来谈的，对接收天线一般都当它是发射天线一样来考虑。因为一付天线用来接收的特性，就等于用来发射的特性。它辐射得好的方向，也就是它接收得好的方向。这自然就是通信的方向。

实用的广播天线，式样很多，最简单的是一根垂直的导线。对这样天线，突际上没有加用传输线，它直接接到发射机或收音机上，沿线有驻波。接收天线上，因为要接收好些不同频率的电波，长短不会都合适；所以驻波小 ：发射天线上，因为只要发射一个频率的电波，长短合适，所以驻波大。这种天线没有什么方向性，可以接收四面电台发射来的电波，但同时也可以接收任何方向来的人为干扰和天电干扰；所以用在工业用电比较多的地区收音成绩就不会太好，而在农村比较好了。

一根垂直天线上再加上水平的部分，成倒L形功T形，方向性并不大，也照样可以接收四围的节目，比单一根垂直天线的作用要好些。因为水平部分帮助接收电波，但受干扰很小。因为人为干扰的电场，可以分成垂直和水平的两部分，水平干扰电场一发生就被地面所吸收，剩下来的垂直干扰电场，对水平部分不起作用。

还有—种环状天线，它是有方向性的，信号电波由环圈的两边来，作用最大；正对着环圈的平面来，作用最小。因此家庭使用，可以装在收音机里，移动收音机让环圈对准广播电台的方向，声音最响；许多干扰信号，不来自同一方向，声音自然减弱。在城市里用这种天线，有时候效果可能比倒L或T形天线还好。蛛丝网形的天线，和环圈天线属于一类，有着相似的特性。

各种天线有种种不同方向性的原因，决定于导线上电流的分布；不只是一根导线的，还决定于各个导线里电流的相互关系和导线排列的相对位置。研究天线的特性，特别是它们的辐射图型，已经是一门专门的科学，它也是极有趣味的。（沈肇熙）