天线工程师进阶指南：只会割铜皮式调天线，就Out了！跨学科天线设计介绍

❝本次推文简单介绍下跨学科天线设计。

什么是天线？

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

发射天线可以将来自发射机的高频电流或导波能量有效地转换为无线电波，并向特定方向辐射出去。例如，在广播电台中，天线将音频信号调制到高频载波上后发射出去，使得信号能够在广阔的空间中传播。手机通信中，手机天线将数字信号转换为电磁波发射出去，与基站进行通信。
接收天线能从周围的空间中收集特定频率的电磁波，并将其转换为电信号或导波能量，传输给接收机。例如，卫星电视接收天线接收来自卫星的微弱信号，经过放大、解调等处理后，在电视机上显示出图像和声音。汽车上的收音机天线接收广播信号，让驾驶者在行车过程中可以收听各种电台节目。

天线理论与技术历经一百余年的发展，从最初仅依赖一堆解析公式，发展到如今借助 HFSS、CST 等电磁仿真软件便能够直观地感受天线性能，其发展速度可谓迅猛。当下，天线工程师甚至能够利用 CST 的 Antenna Magus 软件对天线设计进行快速评估、建模与仿真，使得天线设计的难度大大降低。那么，天线设计如今还重要吗？

在《天线设计该如何入门》一文中我们也阐述了相应的观点：辅助工具集成的天线模型虽然多，但是没有考虑结构，尺寸，天线罩的影响，而且软件生成的大多数模型参数并不是能直接用来投板加工。即使天线工程师依据于电磁仿真软件进行建模、优化的天线，其加工实物来也会与仿真有一定偏差，这个修正工作也是需要有经验的开发人员参与的。

但是随着时代的发展，天线工程师也需要与时俱进。只拘泥于传统的调参数、"割铜皮式"的天线设计，即使饿不死，但是在私企里面，也是属于门槛较低、可替代强的一类。毕竟，现在谁还不会hfss建个模型，扫参数暴力优化天线呢？

天线设计中的"百家争鸣"

从最简单的偶极子天线、环天线起，八木天线、卡塞格伦天线、微带天线、喇叭天线、对数周期天线、缝隙天线、螺旋天线、介质谐振天线、相控阵天线等早已把天线大厦塞得满满当当。现如今，开创新天线类型是挺难的，但是跨学科天线设计正如火如荼。

什么是跨学科天线设计呢？传统的天线设计通过电磁仿真软件计算天线在不同频率下的辐射特性，调整天线的尺寸和结构以满足特定的性能要求，包括但不限于工作频率、带宽、辐射方向图、增益等关键性能参数。当我们将天线融入到生物、医学背景时，设计可植入式医疗设备的天线，需要考虑人体组织的电磁特性、安全性和兼容性。设计用于心脏起搏器、神经刺激器等设备的天线，需要考虑人体组织的电磁特性和对电磁波的吸收情况，以确保设备的正常工作和患者的安全。此外，生物传感器中的天线可以用于检测生物分子的信号，为疾病诊断和治疗提供新的技术手段。

除此之外，各种组合式天线设计愈演愈烈：

天线+射频开关：随着手机所需支持的频段、功能及操作模式不断增多，现代手机射频前端（RFFE）的设计变得愈加复杂。为了实现更高的数据传输速率，设备中集成了更多的天线，并采用了载波聚合（CA）、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 以及新兴的宽带5G频段。这促使智能手机内的天线数量从原先的4至6个增长至8个甚至更多。然而，移动设备内部留给天线的空间却在减少，这反过来影响了天线的效率。

为弥补这一缺陷，工程师们在射频开关和天线之间添加调谐元件（电容或电感），通过多个天线单元和开关电路的组合，实现了多频段支持、小型化设计和性能优化等功能，为手机的通信和无线连接提供了可靠的保障。

孔径调谐（Aperture Tuning）: 从天线终端的空闲空间中优化天线总效率，可以跨多个频段优化天线效率。孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响，根据不同的应用，总辐射功率 (TRP) 和总全向灵敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

阻抗调谐（Impedance Tuning）：最大限度地提高射频前端与天线之间的功率传输，并通过最小化天线与天线前端之间的失配损耗来增加 TRP 和 TIS。阻抗调谐还有助于补偿环境影响，如一个人的手在智能手机上的位置。

天线+滤波器：传统的通信系统中，滤波器和天线是两个独立的部件。如果我们将滤波器的频率选择功能与天线的辐射功能融合在一个单一的结构中，就做成了一个滤波天线(Filtering antenna)。这样一来，我们可以进一步减少系统的尺寸、重量和损耗，提高系统的性能和集成度。

通过将预先设计好的带通滤波器的输出连接到天线的输入端，可以实现信号的滤波与辐射功能。这样一来，天线不仅能够传输或接收某一特定范围内的电磁波，还能够有效抑制其他不需要的频率成分，从而增强信号质量和提升系统的抗干扰性能。

除了上述方法之外，通过在天线结构中引入额外的枝节或开槽，可以激发更多的谐振模式，并形成辐射零点，这种方法同样能够实现带通滤波的效果。不过，设计出具备优良带外抑制特性的集成式滤波天线，则是一项充满挑战的任务。

天线+二极管：PIN 二极管是一种具有特殊结构的半导体器件，它可以在正向偏置和反向偏置状态下呈现不同的阻抗特性。当 PIN 二极管处于正向偏置状态时，它可以呈现低阻抗特性，相当于一个短路状态；当 PIN 二极管处于反向偏置状态时，它可以呈现高阻抗特性，相当于一个开路状态。天线与二极管结合形成的可重构天线是一种具有创新性的天线技术。可重构天线通过在天线结构中引入二极管等可电控元件，可以实现天线的电气特性在不同状态之间进行切换。这种切换可以改变天线的工作频率、辐射方向图、极化方式等参数，从而使天线能够适应不同的通信环境和应用需求。

1-bit可重构天线阵列是一种具有广泛应用前景的天线技术，它可以实现天线的可重构特性，提高通信系统的性能和灵活性。1-bit的含义是使用只有两种状态（0 和 1）的控制信号来控制 PIN 二极管的偏置状态。可以使用数字电路中的逻辑电平（高电平和低电平）来控制 PIN 二极管的偏置状态，从而实现天线的可重构特性。1-bit 加载的优点是控制简单、成本低、可靠性高。在无线通信系统中，这种可重构天线可以实现动态的频率调整、波束成形和极化控制，从而提高通信系统的性能和灵活性。

天线+晶体管：FET Transistor即场效应晶体管，是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。它具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、热稳定性好等优点，广泛应用于电子电路中的放大、开关、稳压等功能。然而，也有人将其作为天线的有源阻抗匹配电路中。如下图所示，该 FET 在栅极处与偶极子天线集成，并在漏极处与 50Ω 传输线连接。这种尺寸小的有源天线作为接收器，具有 10 MHz 至 1.9 GHz 的宽阻抗带宽，其中反射系数低于 - 10 dB，覆盖 190 个倍频程带宽。

进阶版本

当PIN二极管与metasurface antenna结合通信原理设计，就可以发表nature期刊了！

微波通用超表面天线（universal metasurface antenna，UMA），它能够以软件定义的方式动态、同时、独立且精确地操纵电磁波的所有本构特性：极化矢量e、幅度A、频率f、波矢k和初始相位φ。

合成移动包络超表面天线，它能够同时生成任意谐波阶次，并以软件定义的方式独立操纵它们的波特性。在许多光子和电子应用中，灵活的频率控制至关重要，其应用范围从通信系统、光谱学、计量学到量子信息处理。然而，基于非线性体介质、电光效应和非线性超表面的最先进解决方案的光谱可控性非常有限，并且只能独立操纵几个谐波阶次。下图展示了在频分复用（FDM）应用中用于直接数据传输的时空编码超表面天线（STCMA）。单向频率转换、频率梳生成、任意谐波阶次独立控制及其在频分复用通信中的应用，所有这些复杂的功能都是通过对集成波导的超表面天线进行1-bit时空开-关切换来实现的。