無論是在雷達通信還是電子戰中，天線都是一個重要的組成部分，它將無線電波轉換為電信號，或將電信號轉換為無線電波。天線的性能是通過其方向圖來描述的，它展示天線在各個方向上發送或接收信號的強度。

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。為了進行天線的計算，通常會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，可得到一個天線的矩形模型。實際上，由于天線的發射和接收特性在不同的方向上會有所不同，所以當我們將垂直和水平半功率波束寬度組合起來考慮時，結果更像是一個實心角。這意味著天線方向圖的形狀實際上更接近于一個橢圓，而非矩形。這個橢圓形模型更準確地反映了天線的性能，因為它考慮了在所有方向上的信號強度，而不僅僅是在主瓣的方向上。因此，這種模型更適用于設計和優化天線，以滿足特定的應用需求。

圖中兩種模型之間的差異對應著16和4π之間的差異，約為78%。為了糾正這些相對于真實天線的偏差，可使用天線效率因子ka來進行估計。不同波長和天線尺寸下的天線模型的邊界并沒有統一的定義，根據波長λ和天線尺寸的大小，天線的輻射場分為三個區域，分別是電抗性近場，輻射近場（又稱為“菲涅耳區Fresnel”），以及輻射遠場（又稱為“夫瑯和費區Fraunhofer”）。

射頻信號加載到天線后，緊鄰天線除了輻射場之外，還有一個非輻射場。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。在這個區域，由于電抗場占優勢，因而將此區域稱為電抗近場區，它的界限通常取λ/2π。超過電抗近場區就到了菲涅耳區。

在近場和菲涅耳區，無論輻射天線類型如何，從天線發出的輻射基本上都是球形波前(等相位面)，而在夫瑯和費區域，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重要參數。天線增益是一個衡量天線能夠將輸入功率集中到特定方向的能力的參數。相對于一個理想的全向天線（在所有方向上均勻發射和接收信號）或者一個理想的偶極子天線（在垂直方向上發射和接收信號）的。增益越高，天線在特定方向上發送和接收信號的能力就越強。天線增益通常用dBi（相對于一個理想的全向天線）或者dBd（相對于一個理想的偶極子天線）來表示。

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

天線增益和方向圖是相互關聯的。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射和接收能力更強。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，因此與實際天線的性能可能有所不同。實際天線的效率和增益可能會受到多種因素的影響，包括天線的設計、制造材料、安裝位置、工作頻率等。理論模型可以提供一個關于天線性能的基本理解，在實際應用中，需要進行實測和調整，以達到最佳的性能。

以非對稱55%效率的拋物面天線為例，它的增益會相對較高。這是因為拋物面天線能夠將更多的輸入功率集中到主瓣，從而在特定方向上實現更高的發射和接收能力。

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

具有窄波束寬度的高增益天線可以提供強大的遠距離信號，但它需要精確的瞄準或定位。相反，具有寬波束寬度的低增益天線不需要精確的瞄準，使其更適合短距離或移動應用。

常見的天線類型

每種天線類型都有其獨特的設計和性能特點，具體可以查看下表。

審核編輯 黃宇