?本文簡單介紹下跨學科天線設(shè)計。

什么是天線？

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

• 發(fā)射天線可以將來自發(fā)射機的高頻電流或?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，在廣播電臺中，天線將音頻信號調(diào)制到高頻載波上后發(fā)射出去，使得信號能夠在廣闊的空間中傳播。手機通信中，手機天線將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去，與基站進行通信。

• 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)換為電信號或?qū)Р芰?，傳輸給接收機。例如，衛(wèi)星電視接收天線接收來自衛(wèi)星的微弱信號，經(jīng)過放大、解調(diào)等處理后，在電視機上顯示出圖像和聲音。汽車上的收音機天線接收廣播信號，讓駕駛者在行車過程中可以收聽各種電臺節(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。當下，天線工程師甚至能夠利用 CST 的 Antenna Magus 軟件對天線設(shè)計進行快速評估、建模與仿真，使得天線設(shè)計的難度大大降低。那么，天線設(shè)計如今還重要嗎？

在《天線設(shè)計該如何入門》一文中我們也闡述了相應(yīng)的觀點：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)于電磁仿真軟件進行建模、優(yōu)化的天線，其加工實物來也會與仿真有一定偏差，這個修正工作也是需要有經(jīng)驗的開發(fā)人員參與的。

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

天線設(shè)計中的"百家爭鳴"

從最簡單的偶極子天線、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當。現(xiàn)如今，開創(chuàng)新天線類型是挺難的，但是跨學科天線設(shè)計正如火如荼。

什么是跨學科天線設(shè)計呢？傳統(tǒng)的天線設(shè)計通過電磁仿真軟件計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)。當我們將天線融入到生物、醫(yī)學背景時，設(shè)計可植入式醫(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生物分子的信號，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)計愈演愈烈：

• 天線+射頻開關(guān)：隨著手機所需支持的頻段、功能及操作模式不斷增多，現(xiàn)代手機射頻前端（RFFE）的設(shè)計變得愈加復雜。為了實現(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。這促使智能手機內(nèi)的天線數(shù)量從原先的4至6個增長至8個甚至更多。然而，移動設(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。

為彌補這一缺陷，工程師們在射頻開關(guān)和天線之間添加調(diào)諧元件（電容或電感），通過多個天線單元和開關(guān)電路的組合，實現(xiàn)了多頻段支持、小型化設(shè)計和性能優(yōu)化等功能，為手機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，可以跨多個頻段優(yōu)化天線效率?？讖秸{(diào)諧對發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會產(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)諧還有助于補償環(huán)境影響，如一個人的手在智能手機上的位置。

• 天線+濾波器：傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，濾波器和天線是兩個獨立的部件。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單一的結(jié)構(gòu)中，就做成了一個濾波天線(Filtering antenna)。這樣一來，我們可以進一步減少系統(tǒng)的尺寸、重量和損耗，提高系統(tǒng)的性能和集成度。

通過將預先設(shè)計好的帶通濾波器的輸出連接到天線的輸入端，可以實現(xiàn)信號的濾波與輻射功能。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，從而增強信號質(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，這種方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)帶通濾波的效果。不過，設(shè)計出具備優(yōu)良帶外抑制特性的集成式濾波天線，則是一項充滿挑戰(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 PIN 二極管處于正向偏置狀態(tài)時，它可以呈現(xiàn)低阻抗特性，相當于一個短路狀態(tài)；當 PIN 二極管處于反向偏置狀態(tài)時，它可以呈現(xiàn)高阻抗特性，相當于一個開路狀態(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)?？芍貥?gòu)天線通過在天線結(jié)構(gòu)中引入二極管等可電控元件，可以實現(xiàn)天線的電氣特性在不同狀態(tài)之間進行切換。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）的控制信號來控制 PIN 二極管的偏置狀態(tài)?？梢允褂脭?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)，從而實現(xiàn)天線的可重構(gòu)特性。1-bit 加載的優(yōu)點是控制簡單、成本低、可靠性高。在無線通信系統(tǒng)中，這種可重構(gòu)天線可以實現(xiàn)動態(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即場效應(yīng)晶體管，是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導體器件。它具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，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 個倍頻程帶寬。

進階版本

當PIN二極管與metasurface antenna結(jié)合通信原理設(shè)計，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態(tài)、同時、獨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。

• 合成移動包絡(luò)超表面天線，它能夠同時生成任意諧波階次，并以軟件定義的方式獨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、計量學到量子信息處理。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解決方案的光譜可控性非常有限，并且只能獨立操縱幾個諧波階次。下圖展示了在頻分復用（FDM）應(yīng)用中用于直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r空編碼超表面天線（STCMA）。單向頻率轉(zhuǎn)換、頻率梳生成、任意諧波階次獨立控制及其在頻分復用通信中的應(yīng)用，所有這些復雜的功能都是通過對集成波導的超表面天線進行1-bit時空開-關(guān)切換來實現(xiàn)的。

這幾年AI迅猛發(fā)展，已經(jīng)實現(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。學而不思則罔，思而不學則殆。在這個知識大爆炸的時代，只會割銅皮式調(diào)天線，那你就Out了！在不久的未來，你我會共同見證類似這樣的大模型來幫我們進行天線設(shè)計么？讓我們拭目以待。

原創(chuàng)作者：94巨蟹座中年