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1. 背景引入
如果我们把电磁理论比作一座大厦，那么库仑、安培、法拉第等人给它准备了坚实的地基，麦克斯韦在上面建成了大厦，最后赫兹则让这座大厦住满了人。
为什么说赫兹让这座大厦住满了人呢？《大学物理》课程中我们学习过，麦克斯韦在前人研究基础之上归纳总结了麦克斯韦方程组，并基于此推测了电磁波的存在，此后，赫兹在1888年通过实验证明了电磁波的存在。现在我们的日常生活中，很多方面都与电磁波有着密切的关系，它是一切无线通信的载体，如手机通信、电视电台等。那么，电磁波究竟是如何发射和接收的呢？这就涉及到了我们这门课程要讲的重要器件——天线！
我们首先要清楚明白的是：什么是天线？天线的概念是什么？天线是如何被发明的？天线为什么能工作？
2. 天线的概念
天线是辐射或接收电磁波的装置，是任何无线电系统的基本部件。
IEEE协会定义：天线是用以发射和接受电磁波，实现电流与电磁波之间的转换。
IEEE，Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，电气和电子工程师协会。
从上图可以看出，天线可以发射信号，也可以接收信号。
发射天线：把导行电磁波（高频电流）转化为在预定方向辐射的空间电磁波。
接收天线：把空间的特定电磁波转化为导行电磁波（高频电流）。
发射和接收也可在同一个天线实现（基站用双工器来实现同一天线的发射和接收，手机用开关来实现同一天线的发射和接收）。
此外，天线还有以下一些称呼：
① 空间与收发机间的媒介
② 空间电磁波与导行电磁波（高频电流）的转换器
③ 电磁波的出口和入口
④ 无线系统的眼睛和耳朵
3. 天线的发明与发展
① 英国科学家麦克斯韦（Maxwell）1864年提出了著名电磁场方程组，推测并预言了电磁波的存在。
② 1888年,德国科学家海因里希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）采用电火花间隙发射机和环形天线，验证了电磁波的存在。
③ 1894年，35岁的俄国青年波波夫在一次实验中发现金属屑检波器的灵敏度异常高，接收电磁波的距离比平时有明显增加。他仔细检查后发现，有一根导线搭在了检波器上，增强了检波器的接收能力。提高机器的灵敏度，增加传收距离的愿望竟在无意中实现了，这根导线成为了世界上第一根天线。
④ 1895年，马可尼（G. Marconi）成功地进行了2.5公里的电报传送实验。1901年，跨越大西洋3200公里的试验成功，开始了电磁波信息传输的时代，也使天线走向商用。马可尼被称为无线电之父。
⑤ 1899–1937：为了增强天线的定向性，阵列天线诞生。诺贝尔奖获得者卡尔·费迪南德·布劳恩最早利用三天线系统组成阵列结合相位调制辐射出心形方向图。
⑥ 二战期间(1937–1945) ：天线和无线电得到了迅猛发展，阵列天线不断增大，主要用于军事勘察，尤其是空中探测。
⑦ 固态阵列时代(1964–至今)：单片微波集成电路T/R模块被研制出来，因此天线进入了高集成度时代。
4. 天线的一般工作原理
如果我们有一个电信号，那么我们如何将其转换为电磁波呢？你的脑海中可能有一个简单的答案：那就是使用一个闭合的导线，在电磁感应原理的帮助下，将能够产生一个波动的磁场和周围的电场。然而，源周围的这种波动场在信号的传输中是没有用处的。这里的电磁场不传播，它只是波动。在天线中，源周围的电磁波需要与源分离，它们应该传播。所以天线究竟是如何让电磁波与源分离并且传播出去的呢?
核心在于：交变的电流辐射电磁波。
大家在《大学物理》课程中都学过电偶极子，以及它的场分布。假设这些电荷是如上图所示，在其路径的中点振荡，速度将达到最大值，并且在它们的路径末端，速度将为零，由于速度的变化，带电颗粒将经历连续的加速和减速。
让我们只专注于一个电场线，在时间为零时形成的波前扩展并变形，在八分之一的时间段之后变成中图，再八分之一的时间段之后右图。
如果我们继续以同样的方式分析，我们可以看到，在一个四分之一的时间周期内，波前端在一个点相遇。在这之后，波前发生分离和传播。请注意，这种变化的电场会自动产生一个垂直于他的变化的磁场。
如果画出电场强度随距离的变化，可以看到波的传播是本质上是正弦的。
有趣的是，所产生的传播波长正好是偶极子长度的两倍。这正是我们在天线中所需要的，简而言之，如果我们能安排振荡正电荷和负电荷，我们就能制造天线。现在的挑战是找出如何使偶极子如此运动，也就是说要如何形成这种振荡电荷。
在实践中这种振荡电荷的生产很容易，取一个在中心弯曲的导电棒并施加一个中心的电压信号，假定这是随时间变化的信号，考虑这样一种情况，在时刻0由于电压的影响，电子将从偶极子的右边移出，并且将是积累在左边。这意味着失去电子的另一端会自动带正电。
这种安排产生了与之前的偶极子电荷情况相同的效果，即在导线的末端有正电荷和负电荷，随着电压随时间的变化，正电荷和负电荷会来回穿梭，从而产生了波的传播。我们现在已经看到了天线作为发射机的工作原理，发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同。为了实现完美的传输，天线的长度应该是波长的一半。
需要说明的是，天线的操作是可逆的，它可以像接收器一样工作。如果传播的电磁场击中它，我们将再次使用同一根天线并在此时施加电场，电子将累积在棒的一端，这和电偶极子是一样的，当外加电场改变正负电荷在另一端积累时，变化的电荷积累意味着在天线中心产生一个变化的电压信号。
刚才所有这些讨论中，我们已经看到天线是一个开路，现在让我们看看一些实际的天线和它们是如何工作的。过去，电视接收用的是偶极子接收天线，彩色条作为偶极子接收天线，这种天线还需要一个反射器和导向器来将信号聚集在偶极子上，这种完整的结构被称为Yagi-Uda（八木-羽田）天线。偶极天线将接收到的信号转换成电信号，这些电信号通过同轴电缆传送到电视单元。
如今的电视天线一般是如下图所示，其中包括两个主要组成，一个抛物面状反射镜和一个低噪声块下变频器。抛物面接收来自卫星的电磁信号并将它们聚焦到接收探针上，抛物线的形状很特别，经过专门且精确设计。就像我们在简单偶极子情况下看到的那样，天线会感应出电压，如此生成的电压信号会馈送到电视进行信号处理。
另一个实例是手机天线，手机使用的是完全不同的天线，称为微带贴片天线，贴片天线由放置在接地面上的金属贴片或条组成，中间有一块介电材料，这里金属贴片用作辐射元件，金属贴片的长度应为适当发射和接收的波长的一半。
5. 天线的应用
① 广播与电视
② 无线通信 (点对点通讯、移动通信、卫星通讯)
③ 雷达
④定位导航、RFID、V2X等
6. 天线的种类
以下为一些有意思的天线：
