一百多年了，天线为什么还在变

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手机连上网、电视收到台、飞机被雷达盯住，背后都是同一类部件在工作：天线。从马可尼时代拖在风筝上的那根导线算起，天线已经走了一百多年。

按常理，一门一百多岁的学科早该定型了，可翻开今天的期刊和会议文集，关于天线的论文依旧铺天盖地。天线发展已有一百多年时间，但它的理论、设计工具和应用，到今天还在不断往前走。这篇就讲讲它还在哪些地方变。

变化最明显的是分析手段。早年分析一副天线，靠解析公式加实验调试，结构简单尚可应付，结构一复杂就束手无策。后来出现了矩量法：把天线上的连续电流切成许多小段，每段的电流当作一个未知数，联立求解，天线上电流怎么分布、向哪儿辐射，就都算出来了。

还有几何绕射法：把高频电磁波当作一条条射线去追踪，再补上物体边缘和拐角处的绕射效应，特别适合电尺寸很大的天线。平面波谱展开法也是这一批出现的工具。这些方法把过去算不动的题目，变成了算得动的题目。

再往后，有限元法和时域有限差分法也相继进入天线分析。有限元法把整个求解空间切成许许多多小单元，逐个求解再拼成整体；时域有限差分法更直白，把空间和时间都划成网格，让电磁波在网格里一步一步往前推演。方法多了，各有擅长，没有哪一种包打天下。

这些方法最终落进了商用软件。Ansoft 公司的 HFSS 以有限元法为核心，Zeland 公司的 IE3D 基于矩量法，同一家公司的 FIDELITY 基于 FDTD 法，另外还有 CST、Microwave Office 等。

有了它们，工程师在电脑里画好结构，方向图、阻抗、带宽都能提前算出来，先仿真、后加工，不用再靠一遍遍试错。天线设计从“经验加钳工”，变成了“仿真加验证”。

应用那头的变化同样大。从航空、航天、航海，到火箭发射的跟踪控制、导弹制导、电子对抗、卫星通信、遥感遥测，再到与个人贴身的无线电广播、电视、移动通信，山区电话的无线接入，计算机无线接入互联网，都离不开天线。天上飞的、水里游的、手里握的，几乎每一种新设备都给天线出了新题目。

就拿移动通信来说，一座基站天线的内部，就是一组排队站好的振子和背后的馈电网络，如图所示。

特殊的应用不断催生新的天线形式。雷达要精确跟踪目标，光知道距离不够，还得知道目标偏了多少角度。单脉冲阵列天线就是干这个的：它在单个脉冲内同时产生几个波束，把各波束的输出一比较，角误差当场算出，回波幅度随时间起伏的影响就被消掉了。和波束与差波束如何由辐射器激励形成，如图所示。

相控阵天线换了个思路：不动天线，动相位。把许多单元排成阵列，每个单元后面接一个移相器，控制相邻单元间的相位差，波束指向就能在电路上随意调动，不必机械转动整个天线。扫描快、可靠性高，雷达和通信都在用它，如图所示。

微带天线则是“贴”出来的：在接地板上垫一层薄介质基片，上面刻一块金属贴片，就是一副天线，如图所示。它薄、平、便宜，容易贴在飞机、导弹表面做成共形结构——所谓共形，就是天线贴着载体外形装，不鼓出体外。这种天线的思想 1953 年就提出来了，但直到七十年代微带电路成熟之后才被真正重视，此后研究势头至今不减，主要用在微波、毫米波段。

频率一头也在扩展。超宽带天线追求一副天线覆盖很宽的频带，思路是让天线形状只由角度决定、与长度尺寸无关，频率变了，性能基本不变。阿基米德螺旋天线就是典型的一类，属于超宽带天线，如图所示；性能同样只随角度变的平面等角螺旋天线，有人做到了 20 比 1 的带宽。

这张清单还在加长：自适应天线会自己调整方向图躲开干扰，智能天线把信号处理和天线结合，有源天线把放大电路做进天线，天线小型化则要把天线塞进越来越小的设备。没有一种是凭空想出来的，全是应用逼出来的。所以一百多年过去，天线这门学问不但没老，反而越活越多——需求在哪里，天线就长到哪里。

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