?本文簡(jiǎn)單介紹下跨學(xué)科天線設(shè)計(jì)。

什么是天線？

天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。

• 發(fā)射天線可以將來自發(fā)射機(jī)的高頻電流或?qū)Р芰坑行У剞D(zhuǎn)換為無線電波，并向特定方向輻射出去。例如，在廣播電臺(tái)中，天線將音頻信號(hào)調(diào)制到高頻載波上后發(fā)射出去，使得信號(hào)能夠在廣闊的空間中傳播。手機(jī)通信中，手機(jī)天線將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去，與基站進(jìn)行通信。

• 接收天線能從周圍的空間中收集特定頻率的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)Р芰浚瑐鬏斀o接收機(jī)。例如，衛(wèi)星電視接收天線接收來自衛(wèi)星的微弱信號(hào)，經(jīng)過放大、解調(diào)等處理后，在電視機(jī)上顯示出圖像和聲音。汽車上的收音機(jī)天線接收廣播信號(hào)，讓駕駛者在行車過程中可以收聽各種電臺(tái)節(jié)目。

天線理論與技術(shù)歷經(jīng)一百余年的發(fā)展，從最初僅依賴一堆解析公式，發(fā)展到如今借助 HFSS、CST 等電磁仿真軟件便能夠直觀地感受天線性能，其發(fā)展速度可謂迅猛。當(dāng)下，天線工程師甚至能夠利用 CST 的 Antenna Magus 軟件對(duì)天線設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估、建模與仿真，使得天線設(shè)計(jì)的難度大大降低。那么，天線設(shè)計(jì)如今還重要嗎？

在《天線設(shè)計(jì)該如何入門》一文中我們也闡述了相應(yīng)的觀點(diǎn)：輔助工具集成的天線模型雖然多，但是沒有考慮結(jié)構(gòu)，尺寸，天線罩的影響，而且軟件生成的大多數(shù)模型參數(shù)并不是能直接用來投板加工。即使天線工程師依據(jù)于電磁仿真軟件進(jìn)行建模、優(yōu)化的天線，其加工實(shí)物來也會(huì)與仿真有一定偏差，這個(gè)修正工作也是需要有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員參與的。

但是隨著時(shí)代的發(fā)展，天線工程師也需要與時(shí)俱進(jìn)。只拘泥于傳統(tǒng)的調(diào)參數(shù)、"割銅皮式"的天線設(shè)計(jì)，即使餓不死，但是在私企里面，也是屬于門檻較低、可替代強(qiáng)的一類。畢竟，現(xiàn)在誰還不會(huì)hfss建個(gè)模型，掃參數(shù)暴力優(yōu)化天線呢？

天線設(shè)計(jì)中的"百家爭(zhēng)鳴"

從最簡(jiǎn)單的偶極子天線、環(huán)天線起，八木天線、卡塞格倫天線、微帶天線、喇叭天線、對(duì)數(shù)周期天線、縫隙天線、螺旋天線、介質(zhì)諧振天線、相控陣天線等早已把天線大廈塞得滿滿當(dāng)當(dāng)。現(xiàn)如今，開創(chuàng)新天線類型是挺難的，但是跨學(xué)科天線設(shè)計(jì)正如火如荼。

什么是跨學(xué)科天線設(shè)計(jì)呢？傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)通過電磁仿真軟件計(jì)算天線在不同頻率下的輻射特性，調(diào)整天線的尺寸和結(jié)構(gòu)以滿足特定的性能要求，包括但不限于工作頻率、帶寬、輻射方向圖、增益等關(guān)鍵性能參數(shù)。當(dāng)我們將天線融入到生物、醫(yī)學(xué)背景時(shí)，設(shè)計(jì)可植入式醫(yī)療設(shè)備的天線，需要考慮人體組織的電磁特性、安全性和兼容性。設(shè)計(jì)用于心臟起搏器、神經(jīng)刺激器等設(shè)備的天線，需要考慮人體組織的電磁特性和對(duì)電磁波的吸收情況，以確保設(shè)備的正常工作和患者的安全。此外，生物傳感器中的天線可以用于檢測(cè)生物分子的信號(hào)，為疾病診斷和治療提供新的技術(shù)手段。

除此之外，各種組合式天線設(shè)計(jì)愈演愈烈：

• 天線+射頻開關(guān)：隨著手機(jī)所需支持的頻段、功能及操作模式不斷增多，現(xiàn)代手機(jī)射頻前端（RFFE）的設(shè)計(jì)變得愈加復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)備中集成了更多的天線，并采用了載波聚合（CA）、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 以及新興的寬帶5G頻段。這促使智能手機(jī)內(nèi)的天線數(shù)量從原先的4至6個(gè)增長(zhǎng)至8個(gè)甚至更多。然而，移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部留給天線的空間卻在減少，這反過來影響了天線的效率。

為彌補(bǔ)這一缺陷，工程師們?cè)谏漕l開關(guān)和天線之間添加調(diào)諧元件（電容或電感），通過多個(gè)天線單元和開關(guān)電路的組合，實(shí)現(xiàn)了多頻段支持、小型化設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化等功能，為手機(jī)的通信和無線連接提供了可靠的保障。

孔徑調(diào)諧（Aperture Tuning）: 從天線終端的空閑空間中優(yōu)化天線總效率，可以跨多個(gè)頻段優(yōu)化天線效率。孔徑調(diào)諧對(duì)發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會(huì)產(chǎn)生很大影響，根據(jù)不同的應(yīng)用，總輻射功率 (TRP) 和總?cè)蜢`敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

阻抗調(diào)諧（Impedance Tuning）：最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸，并通過最小化天線與天線前端之間的失配損耗來增加 TRP 和 TIS。阻抗調(diào)諧還有助于補(bǔ)償環(huán)境影響，如一個(gè)人的手在智能手機(jī)上的位置。

• 天線+濾波器：傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，濾波器和天線是兩個(gè)獨(dú)立的部件。如果我們將濾波器的頻率選擇功能與天線的輻射功能融合在一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)中，就做成了一個(gè)濾波天線(Filtering antenna)。這樣一來，我們可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的尺寸、重量和損耗，提高系統(tǒng)的性能和集成度。

通過將預(yù)先設(shè)計(jì)好的帶通濾波器的輸出連接到天線的輸入端，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波與輻射功能。這樣一來，天線不僅能夠傳輸或接收某一特定范圍內(nèi)的電磁波，還能夠有效抑制其他不需要的頻率成分，從而增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量和提升系統(tǒng)的抗干擾性能。

除了上述方法之外，通過在天線結(jié)構(gòu)中引入額外的枝節(jié)或開槽，可以激發(fā)更多的諧振模式，并形成輻射零點(diǎn)，這種方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)帶通濾波的效果。不過，設(shè)計(jì)出具備優(yōu)良帶外抑制特性的集成式濾波天線，則是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。

• 天線+二極管：PIN 二極管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，它可以在正向偏置和反向偏置狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的阻抗特性。當(dāng) PIN 二極管處于正向偏置狀態(tài)時(shí)，它可以呈現(xiàn)低阻抗特性，相當(dāng)于一個(gè)短路狀態(tài)；當(dāng) PIN 二極管處于反向偏置狀態(tài)時(shí)，它可以呈現(xiàn)高阻抗特性，相當(dāng)于一個(gè)開路狀態(tài)。天線與二極管結(jié)合形成的可重構(gòu)天線是一種具有創(chuàng)新性的天線技術(shù)。可重構(gòu)天線通過在天線結(jié)構(gòu)中引入二極管等可電控元件，可以實(shí)現(xiàn)天線的電氣特性在不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換。這種切換可以改變天線的工作頻率、輻射方向圖、極化方式等參數(shù)，從而使天線能夠適應(yīng)不同的通信環(huán)境和應(yīng)用需求。

1-bit可重構(gòu)天線陣列是一種具有廣泛應(yīng)用前景的天線技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)特性，提高通信系統(tǒng)的性能和靈活性。1-bit的含義是使用只有兩種狀態(tài)（0 和 1）的控制信號(hào)來控制 PIN 二極管的偏置狀態(tài)。可以使用數(shù)字電路中的邏輯電平（高電平和低電平）來控制 PIN 二極管的偏置狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)特性。1-bit 加載的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。在無線通信系統(tǒng)中，這種可重構(gòu)天線可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的頻率調(diào)整、波束成形和極化控制，從而提高通信系統(tǒng)的性能和靈活性。

• 天線+晶體管：FET Transistor即場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件。它具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子電路中的放大、開關(guān)、穩(wěn)壓等功能。然而，也有人將其作為天線的有源阻抗匹配電路中。如下圖所示，該 FET 在柵極處與偶極子天線集成，并在漏極處與 50Ω 傳輸線連接。這種尺寸小的有源天線作為接收器，具有 10 MHz 至 1.9 GHz 的寬阻抗帶寬，其中反射系數(shù)低于 - 10 dB，覆蓋 190 個(gè)倍頻程帶寬。

進(jìn)階版本

當(dāng)PIN二極管與metasurface antenna結(jié)合通信原理設(shè)計(jì)，就可以發(fā)表nature期刊了！

• 微波通用超表面天線（universal metasurface antenna，UMA），它能夠以軟件定義的方式動(dòng)態(tài)、同時(shí)、獨(dú)立且精確地操縱電磁波的所有本構(gòu)特性：極化矢量e、幅度A、頻率f、波矢k和初始相位φ。

• 合成移動(dòng)包絡(luò)超表面天線，它能夠同時(shí)生成任意諧波階次，并以軟件定義的方式獨(dú)立操縱它們的波特性。在許多光子和電子應(yīng)用中，靈活的頻率控制至關(guān)重要，其應(yīng)用范圍從通信系統(tǒng)、光譜學(xué)、計(jì)量學(xué)到量子信息處理。然而，基于非線性體介質(zhì)、電光效應(yīng)和非線性超表面的最先進(jìn)解決方案的光譜可控性非常有限，并且只能獨(dú)立操縱幾個(gè)諧波階次。下圖展示了在頻分復(fù)用（FDM）應(yīng)用中用于直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)空編碼超表面天線（STCMA）。單向頻率轉(zhuǎn)換、頻率梳生成、任意諧波階次獨(dú)立控制及其在頻分復(fù)用通信中的應(yīng)用，所有這些復(fù)雜的功能都是通過對(duì)集成波導(dǎo)的超表面天線進(jìn)行1-bit時(shí)空開-關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)的。

這幾年AI迅猛發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了文本、語音、圖片、視頻生成。Claude這樣的大模型已經(jīng)能幫程序員做全棧開發(fā)的小幫手了。學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。在這個(gè)知識(shí)大爆炸的時(shí)代，只會(huì)割銅皮式調(diào)天線，那你就Out了！在不久的未來，你我會(huì)共同見證類似這樣的大模型來幫我們進(jìn)行天線設(shè)計(jì)么？讓我們拭目以待。

原創(chuàng)作者：94巨蟹座中年