电磁场如何从源中产生并最终脱离天线辐射到自由空间中去的呢？让我们首先来研究一下一些基本的辐射源。

1、单线Single Wire

导线是一种电荷运动产生电流特性的材料，假设用qv（库仑/m3）表示的一个电体积电荷密度均匀分布在一个横截面积a和体积V的圆线中，如图1.9所示。假设电流的体密度是qv，电流均匀的分布在横截面积是a，体积是V的线上。总电荷Q在体积V内以匀速度vz（米/秒）沿z方向移动。可以表明，导线横截面上的电流密度Jz（安培/m^2。）

 式（1-3）是电流与电荷之间的基本关系，也是电磁辐射[4]、[5]的基本关系。它是说，要产生辐射，必须有时变电流或电荷加速（或减速）电荷.我们通常提到在时间谐波应用中的电流，而电荷通常在瞬态中提到。要产生充电加速（或减速），导线必须弯曲、弯曲、不连续或端接[1]，[4]。当电荷在时谐波运动中振荡时，也会产生周期性的电荷加速（或减速）或时变电流，如图1.17所示的λ/2偶极子。因此

 1.如果电荷不移动，就不会产生电流，也没有辐射。

2.如果电荷以匀速移动：

a。如果电线是直的，而且范围是无限的，就没有辐射。

b.如果导线弯曲、弯曲、不连续、端接或截断，如图1.10所示。

3.如果电荷在时间运动中振荡，即使导线是直的，它也会辐射。

 通过考虑连接在开放式导线上的脉冲源，可以获得对辐射机制的定性理解，该脉冲源可以通过其开放端的离散负载连接到地面，如图1.10(d).所示。当导线最初通电时，导线中的电荷（自由电子）由于源产生的力沿着电导线运动。当电荷在导线的源端加速，在其终端反射时减速（相对于原始运动的负加速）时，在导线的两端和沿导线的剩余部分[1]、[4]产生辐射场。如果脉冲持续时间更短或更紧凑，则频谱更宽，而连续的时谐振荡电荷通常产生由振荡频率决定的单频辐射。电荷的加速度是由外部源完成的，外部源使电荷运动并产生相关的辐射场。在导线末端的电荷的减速是由于内部（自）力来完成的，这是由于在导线末端的电荷浓度的积累。电荷的加速度是由外部源完成的，外部源使电荷静止并产生相关的辐射场。在导线末端的电荷的减速是由与诱导场相关的内部（自）力来完成的，这是由于在导线末端的电荷浓度的积累。因此，激发电场引起的电荷加速和阻抗不连续或导线平滑曲线引起的减速是造成电磁辐射的机制。当电流密度（Jc）和电荷密度（qv）在麦克斯韦方程中都作为源项出现时，电荷被认为是一个更基本的量，特别是对于瞬态场。尽管这种对辐射的解释主要用于瞬态辐射，但它也可以用来解释稳态辐射[4]。

2、双线Two-Wires

让我们考虑一个电压源连接到双导体传输线然后再连接到天线上，如图11所示，在双导体传输线上施加电压会在导体之间产生一个电场。电场与每一点相切的电场线有关，它们的强度与电场密度成正比。电力线倾向于作用于与每个导体相关的自由电子（很容易与原子分离），并迫使它们被移位。电荷的运动会产生电流，进而产生磁场强度。与磁场强度相关的是与磁场相切的磁力线。我们已经接受了电场线以正电荷为起点，以正电荷为终点负电荷。它们也可以从一个正电荷开始在无穷远处结束，从无限并以负电荷结束，或者形成闭合回路，既不以负电荷开始也不以负电荷结束任何费用。磁力线总是在载流导体周围形成闭环，因为物理上没有磁荷。在一些数学计算中，引入等效磁荷和磁流来在涉及电源和磁源的解之间画出平行关系通常是很方便的。

在两个导体之间画的电力线有助于显示电荷的分布。如果我们假设电压源是正弦的，我们期望导体之间的电场也是正弦的，其周期等于施加电压源的周期。电场强度的相对大小由力线的密度(聚束)表示，箭头表示相对方向(正或负)。导线之间时变电场和磁场的产生，形成沿传输线传播的电磁波，如图1.11(a)所示。电磁波进入天线后，伴随着电荷和相应的电流。

如果我们移除部分天线结构，如图1.11(b)所示，自由空间波可以通过“连接”电线的开放端(虚线所示)来形成。自由空间波也是周期性的，但是一个恒定的相点P0向外移动以光速运动，在1 /2的时间内经过λ/2(到P1)的距离一个时期的已经证明[6]，靠近天线的恒定相位点P0的运动速度比光速快，但在远处的点接近光速远离天线(类似于矩形波导内的相位速度)。

图1.12显示了自由空间波的产生和由一个长形球体与λ/2焦间距传播，其中λ是波长。中心馈电λ/2偶极子的自由空间波，除了在天线附近，基本上是与长形球体相同。

仍然没有回答的问题是，电磁波如何与天线分离，从而产生自由空间波，如图1.11和1.12中的闭环表示。在我们试图解释这一点之前，让我们将引入水波[7]，这是由鹅卵石掉落在平静的水中或以其他方式启动而产生的。一旦水中的扰动开始启动，就会产生水波，并开始向外传播。如果干扰被消除，波不会停止或熄灭，而是继续它们的运动。如果干扰持续存在，就会不断产生新的波，使它们滞后于其他波。由电扰动产生的电磁波也是如此。如果源的初始电扰动持续时间较短，那么所产生的电磁波就会在源内部传输线传播，然后进入天线，最后以自由空间波的形式辐射，即使电源已经不复存在（就像水波及其产生的扰动一样）。如果电干扰是连续的，电磁波会连续存在，并跟随其他波移动。双锥天线如图1.13所示。当电磁波在传输线和天线内时，它们的存在与导体内电荷的存在有关。然而，当波被辐射时，它们会形成闭环，并且没有电荷来维持它们的存在。这使我们得出结论，电荷是激发电场所必需的，但并不需要维持它们，而且在没有电荷的情况下可能存在。这与水波有直接的类比。

3、偶极子Dipole

 

  现在让我们来解释一下电力线线与天线分离形成自由空间波的机制。这将再次用一个小的偶极子天线的例子来说明，忽略其中的时间，这只是为了更好地解释能量的分离。虽然这是一个有点简化的机制，它确实可以让人们想象自由空间波的创造。图1.14(a)显示了在电荷达到最大值（假设正弦时间变化）的第一个1/4波长产生的力线，并且线向外移动径向距离λ/4。对于本例，我们假设形成的力线数为3。在此期间的下一个1/4波长，原来的三条力线路额外运行λ/4（从初始点总共运行λ/2），导体上的电荷密度开始减小。这可以被认为是通过引入相反的电荷来实现的，在周期的前半部分结束时已经中和了导体上的电荷。相反电荷产生的力线为3，在前半部分的第二季度传播距离为λ/4，在图1.14(b)中用虚线表示。最终结果是在第一λ/4距离中有三条向上的力线，在第二λ/4中有相同数量的线向下。由于天线上没有净电荷，那么磁力线必须被迫与导体分离，并结合在一起形成闭环。如图1.14(c).所示在剩下的后半段，遵循同样的程序，但在相反的方向。在此之后，重复这个过程并无限期地继续进行，并形成了类似于图1.12的电场模式。 （力线，电场线，磁力线）

变化的电流或者电荷产生场，天线末端没有电流也和电荷所以能量不能被束缚在天线上会向外辐射出去。

参考：ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN               Constantine A. Balanis