天线理论研究如何应用数学物理方法分析和求解由导线所组成的天线或天线阵的问题，包括求出天线上电流分布、输入阻抗和辐射场等。
理论阶段
早期的理论
H.R.赫兹是天线理论的奠基人。1887～1888年他第一个建立了最基本和最简单的电容天线理论。但天线理论进展很慢。1897年，H.C.波克林顿为细线天线建立了积分方程并证明了细线天线上的电流接近正弦分布，天线上电流波和电荷波是以光速向前传播的。从那时起一直到20世纪30年代，天线和天线阵理论都是基于波克林顿得出的这两个结果。赫兹的解能使人们在给定电流分布下求出电磁场和
辐射图，再加上波克林顿的结果和
能量守恒定律，就能解决许多实际天线问题。但是由于当时数学上的困难，未能解出波克林顿的积分方程，这一时期的天线理论都是近似的。例如，在求天线的输入阻抗时，先假设其上的电流分布为正弦分布，据此并利用坡印亭定理求出由天线表面发出去的功率除以最大电流的平方（半波振子）而得到输入阻抗。这种方法称为
感应电动势法，其近似性在于正弦电流分布在天线表面所产生的场不满足边界条件。
电路理论或积分方程理论
大约从30年代开始，为了求出准确的电流分布和输入阻抗，一些学者对线天线寻求严格的求解方法。1931年，E.海伦对中间用旋转对称 δ－函数源馈电的无限薄理想金属细管状天线建立了他的积分方程，并于1938年求出严格解。后来R.金等人根据海伦的线性化积分方程对实体细线天线作了大量的理论分析、数值计算和设计的实验，得出了大量的曲线和数字结果。他们都是根据边界条件先将
麦克斯韦方程化为以天线上电流分布为待求函数的积分方程，然后对后者加以适当的处理，以便应用逐步逼近法求出其级数解。虽然R.金等人所用的线性化的积分方程本身是近似的，但根据该积分方程进行近似计算的结果，对细线天线来说仍然有实际意义。
场理论或微分方程理论
1941年J.A.斯特拉顿和朱兰成利用长椭球坐标，对中间旋转对称馈电的、偏心率接近于1的长椭球形天线进行了理论分析，应用
分离变量法并根据边界条件直接求解
麦克斯韦方程而得其场，再从后者求出天线上电流分布和输入阻抗。
1941～1945年，S.A.谢昆穆诺夫利用球坐标，对中间馈电的对顶细双锥体天线进行了理论分析，应用分离变量法并根据边界条件直接求解麦克斯韦方程而得场、天线上的电流分布和
输入阻抗。他将线天线理论分为线天线的谐振器理论和线天线的模理论。前者是把天线看成有漏波的
谐振器；后者是把天线看成有开口散射的双锥波导。
1950年，H.朱尔特利用圆柱坐标对无限个同轴细圆管天线阵进行了理论分析，研究了相邻阵元中间反相馈电，应用
分离变量法并根据边界条件求解标量的
亥姆霍兹方程，然后使相邻阵元间的距离趋向无限大而得单个圆管细天线的场、电流分布和
输入阻抗。
矩量法
线天线理论对一根细线天线来说是有效的，但对耦合线天线或线天线阵来说，只有线天线的积分方程理论适用。60年代矩量法应用于电磁场方面之后，线天线的理论计算得到很大发展。借助电子计算机，矩量法应用于线天线的积分方程理论计算，解决了和正在解决许多过去无法解决的线天线问题。纯数值法是将线天线或线天线阵的导线分割成许多小段，每段上的待求电流假设是均匀的，然后将积分方程或积分方程组中的积分化为有限求和，从而得到与小段数目相等的
代数方程组，然后用
电子计算机求解，得出每一小段的电流，从而得到电流分布。
瞬变或时域
线天线的瞬变问题或线天线的时域问题有三种求解方法。①经典法或傅里叶变换法：先求出线天线的频域解，然后再利用傅里叶变换将频域解化为时域解；②直接时域解法：先建立以线天线的时空分布为待求函数的时域积分方程，然后用数值法求解，从而得到输入特性和辐射特性。在这里，线天线本身和时间都必须分割成小段。但线天线的时域严格解，只有当线天线为无限长时才能求得；③奇异性展开法：主要是用复频率平面上的奇异性展开来表示线天线的时域响应。根据实验发现，用脉冲源激励的天线或散射体的瞬变响应主要由一些衰减的正弦型响应组成，而每个响应的特征是用拉普拉斯变换复频率平面上的一个极点或一对极点来表示。天线或散射体在这些极点附近的频率有很大的
电磁响应。这就引出了奇异性展开法。宽频带的脉冲激发了这些极点，后者则是天线或散射体自由振荡的解。自然模的波形与源脉冲波形无关，但其复振幅系数（称为耦合系数或谐振强度）却与源函数有关。
天线参数
影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如
谐振频率、阻抗、
增益、
孔径或
辐射方向图、
极化、效率和
带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。
谐振频率
“
谐振频率”和“
电谐振”与天线的
电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。
天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是
对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。
增益
天线设计中，“
增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取
对数。如果参考天线是
全向天线，增益的单位为dBi。比如，
偶极子天线的增益为2.14dBi。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。
天线增益是无源现象，天线并不增加功率，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。
碟形天线的增益与
孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。
“孔径”和“
辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如
雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。
带宽
天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。
阻抗
“阻抗”类似于
光学中的
折射率。电波穿行于天线系统不同部分（
电台、
馈线、天线、
自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为
驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（
阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。
天线的
复阻抗涉及该天线工作时的
电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作
阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用
天线调谐器、巴伦器、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。
辐射方向图
辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些
抛物面天线），则只需一张方向图。
不同的天线供应商/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。