下面的內(nèi)容并不是要對天線和匹配網(wǎng)絡(luò)如何工作來進(jìn)行扎實(shí)的理論解釋。我們知道非常著名的解釋點(diǎn)電荷如何輻射的理論（麥克斯韋方程）、解釋匹配必要性的理論（微波理論）和以紙面繪制的方式解釋偶極子天線如何按其工作方式進(jìn)行輻射的理論。但是，當(dāng)涉及現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際天線時，我們的許多知識都是經(jīng)驗(yàn)性的。首先，對于大多數(shù)天線，我們沒有封閉式的輻射方程。

其次，即使我們對某些天線進(jìn)行方程式求解，數(shù)學(xué)運(yùn)算也非常復(fù)雜且難以理解。天線設(shè)計(jì)是一個經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐的進(jìn)展比理論知識快得多的領(lǐng)域?？紤]到這些能量轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜性，這是可以理解的。因此，很難說有人可以制定天線工作原理的所有基本定律。即使成功做到了這一點(diǎn)，這些定律在解決天線設(shè)計(jì)的實(shí)際問題時幾乎也是沒有用的。

Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）物聯(lián)網(wǎng)無線解決方案設(shè)計(jì)工程師Asem Elshimi將分享自己對于無線電子在物理層上如何工作的直覺認(rèn)知。無線電子設(shè)備中有許多物理（硬件）和非物理（軟件）層，工程師通常傾向于理解其中的部分內(nèi)容，尤其是當(dāng)他們的工作是具體到設(shè)計(jì)一個匹配網(wǎng)絡(luò)或相控陣天線時。我做的是將這些知識點(diǎn)串連起來 —— 從以非相對論速度振蕩的輻射點(diǎn)電荷到將水表讀數(shù)傳輸至網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙通信信道。對于射頻工程的新手來說，希望本文在塑造對天線設(shè)計(jì)和匹配網(wǎng)絡(luò)的廣泛理解方面可以有所助益。而對于無線專家，則希望強(qiáng)調(diào)最佳實(shí)踐的價值和來之不易的智慧。

圖1顯示了一些常見的天線設(shè)計(jì)。我們最熟悉的是單極天線，因?yàn)樗?jīng)是電視廣播接收以及第一代移動電話甚至玩具的主流天線。一些長期從事模擬和無線工作的工程師會認(rèn)出八木天線（Yagi-Udaantenna），因?yàn)樗恢弊鳛槲覀兾蓓斏系碾娨?a target="_blank">接收器天線，直到20世紀(jì)90年代末。出于經(jīng)濟(jì)和機(jī)械方面的原因，當(dāng)今的無線電子設(shè)備中最常見的天線是微帶貼片天線。對我來說，最容易解釋的天線是喇叭天線。話雖如此，但是我基于喇叭天線所闡釋的概念也適用于其他類型的天線。只需多一點(diǎn)點(diǎn)對電磁學(xué)的想象和理解，就可以同樣的視角看待它們。

圖1 天線設(shè)計(jì)示例

天線是一個能量轉(zhuǎn)換器。它從一側(cè)接收導(dǎo)行電磁波，從另一側(cè)輻射自由空間球面波。每根電線都可以在一定程度上做到這一點(diǎn)；因?yàn)殡娋€基本上都會輻射一部分穿過它的電磁能量。這就是我們使用電絕緣的原因之一。但是，當(dāng)我們談?wù)撦椛潆姶拍芰康奶炀€時，實(shí)際上是指一種非常特殊的輻射類型 —— 有用的電磁輻射。在2020年，有用的電磁輻射就是指這樣一種電磁波：它以標(biāo)準(zhǔn)（FCC、ETSI等）允許的頻率振蕩，并且具有足夠的功率去穿越應(yīng)用的目標(biāo)范圍。例如，藍(lán)牙天線必須能夠發(fā)送/輻射數(shù)十毫瓦的電磁波，該電磁波可以穿越幾米的空間。我們將很快再回到這個例子?，F(xiàn)在，讓我們先將注意力集中在天線作為具有特定頻率和輸出功率的能量轉(zhuǎn)換器這一點(diǎn)上。

為了消除關(guān)于能量轉(zhuǎn)換器這一術(shù)語的歧義，我們來看個熟悉的示例：以一種形式接收電能并以略有不同的形式傳輸電能的電力變壓器。它將電壓轉(zhuǎn)換為電信號的電流比。換句話說，它改變了電信號的波阻抗（根據(jù)歐姆定律，電壓 / 電流 = 阻抗）。變壓器的常見示例是我們在高中都學(xué)習(xí)過的雙繞組變壓器，它如今仍在電網(wǎng)中使用（見圖2）。發(fā)電廠會產(chǎn)生具有非常高電流和低電壓的電信號。為了以最小的損耗跨越數(shù)百英里來“傳輸”此信號，我們使用了變壓器來增加波阻抗；換句話說，要增加電壓并減小電流。較小的電流可以流經(jīng)較長的導(dǎo)線，且損耗更少。

圖2 （左）電力變壓器；（右）整個變壓器的能量轉(zhuǎn)換示意圖

從純粹的電氣意義上講，天線就像變壓器一樣。喇叭天線的作用與變壓器非常相似。觀察一個在其末端裝有喇叭天線的矩形波導(dǎo)，我們可以看到天線如何準(zhǔn)備電磁波以使其離開波導(dǎo)朝自由空間射出（見圖3）喇叭天線這種逐漸打開的形式基本上就是能量轉(zhuǎn)換器，它從同軸電纜接收阻抗為50歐姆的導(dǎo)行波，并將其轉(zhuǎn)換成阻抗為377歐姆的自由空間波。在不使用任何數(shù)學(xué)公式的情況下，我們僅對天線做一些相關(guān)且顯而易見的說明：它們是將導(dǎo)行波與自由空間波相匹配的匹配組件。為什么這種匹配很重要？因?yàn)楹碗娏ψ儔浩鞯陌咐粯?，?dǎo)行波也需要這種能量轉(zhuǎn)換，以便能夠以最小的損耗穿越自由空間。（如果電磁波的波阻抗不同于自由空間阻抗，那么它根本不會在自由空間中傳播。）

圖3 喇叭天線中的電磁能量轉(zhuǎn)換示意圖

什么是波阻抗？它是電磁波中電能與磁能之比。自由空間的波阻抗為377歐姆是什么意思？這意味著，要使波穿過自由空間，它的波阻抗必須為377歐姆。這個數(shù)值是怎么來的？我們可以在自由空間中求解麥克斯韋方程，發(fā)現(xiàn)波阻抗為377歐姆。另外，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來測量自由空間波中的電能與磁能之比，并以令人難以置信的精確度得到相同的數(shù)值。這是迄今為止人類歷史上最令人印象深刻的科學(xué)驗(yàn)證之一。那50歐姆呢？為什么波導(dǎo)內(nèi)的波阻抗為50歐姆？這是個很好的問題。從歷史上看，50歐姆是微波電路的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（盡管其中一些微波電路是75歐姆甚至更高）。然而在現(xiàn)代微波技術(shù)，即片上微波電路中，沒有人再在乎這個50歐姆的數(shù)字了。這個標(biāo)準(zhǔn)從何而來？顯然，這是過去同軸電纜設(shè)計(jì)人員能夠在最大功率容量和電纜損耗之間找到的折衷（見圖4）。這個折衷的數(shù)值就是50歐姆，自那以后它成為每個無線工程師都在使用的品質(zhì)因數(shù)。

圖4 50歐姆是最大功率容量與同軸電纜損耗之間的折衷

現(xiàn)在，我們正在嘗試構(gòu)建一個SoC，以感測和處理將要通過無線方式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的水表數(shù)據(jù)。SoC存儲器中保存的數(shù)據(jù)被表示為1和0。存儲器中的開關(guān)有些為OFF，有些為ON。ON代表數(shù)字1，OFF代表數(shù)字0。我們可以依序讀取它們，然后準(zhǔn)備好要發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。我們還有一個稱為天線的能量轉(zhuǎn)換器。我們知道，它可以從電線中接收電磁能并改變其阻抗，然后將其發(fā)送到自由空間中。我們是否可以僅僅將這些1和0直接應(yīng)用于天線？那行得通嗎？

在無線電傳輸?shù)脑缙?，開發(fā)人員能夠成功地做到這一點(diǎn)，方法是在天線的一端創(chuàng)建“開/關(guān)”鍵控信號，然后在另一位置的接收器上讀取該信號。然而，在現(xiàn)代射頻工程中，由于許多原因，我們無法實(shí)現(xiàn)這種情況。首先，這些1和0以微控制器（MCU）的頻率產(chǎn)生，通常為幾十MHz。天線需要大約15米長，才能將10 MHz的50歐姆導(dǎo)行波有效地轉(zhuǎn)換為377歐姆。這個尺寸對于當(dāng)今的任何電子設(shè)備來說都是巨大的 —— 想象一下帶有15米天線的智能手機(jī)。那么，為什么天線必須這么長呢？為了使天線盡可能高效，就需要它在發(fā)射波的頻率附近諧振。諧振可以使電磁能在天線結(jié)構(gòu)的兩端之間保持振蕩。因此，可以在結(jié)構(gòu)上保留盡可能多的能量，而不是將其反射回源端，從而可實(shí)現(xiàn)更大的輻射功率。諧振要求天線尺寸等于傳播波波長的一半。因此，從本質(zhì)上講，對于這種直接應(yīng)用而言，有用的天線的長度應(yīng)該處于傳播波波長的數(shù)量級上。光速、頻率和傳播波波長之間的關(guān)系是：光速 = 波長×頻率，我使用這種關(guān)系計(jì)算出天線的尺寸為15米。

要使用更小尺寸的天線，所需要的是更高的信號頻率。這是我們對信號進(jìn)行調(diào)制時所做的事情。調(diào)制就是將低頻信號編碼在高頻可傳輸信號的信息中（見圖5）。較簡單的方法（但不是唯一的方法）是將低頻信號乘以高頻載波，結(jié)果是調(diào)幅（AM）信號。是的，就像老式汽車收音機(jī)中的AM一樣。使用藍(lán)牙時，該載波的頻率為2.4 GHz，這將天線尺寸減小到了約2厘米。這是我們不再看到天線的原因之一。它們足夠小，因此可以隱藏在我們的電子設(shè)備中。好了，現(xiàn)在這整個調(diào)制技巧又讓我們看到了現(xiàn)代射頻工程的另一大優(yōu)勢：共存。

圖5 調(diào)制就是在高頻可傳輸信號的信息中編碼低頻信號

當(dāng)我還是個孩子的時候，對于我的父親和姐姐同時間用不同移動電話進(jìn)行通話但不相互干擾感到很困惑。他們怎么可以聽不到對方的通話呢？看起來我父親正在將他的聲音發(fā)送到這種電磁以太中，但不清楚為什么這些聲音數(shù)據(jù)沒有耦合到我姐姐的電話上。事實(shí)證明，移動電話和無線電子設(shè)備使用了調(diào)制來避免此問題。電磁以太或頻譜可以分為較小的帶寬，在射頻工程中我們稱之為信道。每當(dāng)兩個藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)（或任何其他通信標(biāo)準(zhǔn)，但讓我們繼續(xù)以藍(lán)牙為例）嘗試創(chuàng)建連接時，它們都會選擇一個信道進(jìn)行通信（見圖6）。然后，在此信道關(guān)聯(lián)的載波上調(diào)制所有位（那些1和0）?，F(xiàn)在，即使附近有另一個藍(lán)牙連接發(fā)生，第一個連接也不會受到明顯影響，因?yàn)閮烧咴陬l譜空間中是正交的。每個連接位于不同的載波頻率上，因此，可以只解調(diào)用于該信道的特定載波頻率，來解碼打算在該連接上傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖6 2.4GHz頻段中的頻率分配

讓我們再來研究另一個無線通信的困惑，然后我們就可以著眼大局了?，F(xiàn)在，我們有個2.4 GHz調(diào)制載波，以及正在嘗試通過藍(lán)牙信道傳輸?shù)男畔?。同時我們也有個5毫米的微型天線，可以接收50歐姆的波并將其轉(zhuǎn)換為377歐姆的自由空間波。然而，仔細(xì)看看我們所擁有的，我們意識到自己仍然需要做更多的工作。我們已經(jīng)在芯片上準(zhǔn)備了2.4 GHz信號，這意味著它是低功率信號。現(xiàn)在是時候?qū)⒌凸β市盘栟D(zhuǎn)換為高功率了，我們使用功率放大器（PA）來實(shí)現(xiàn)。（當(dāng)然，高和低是相對的說法，這里的低功率意味著幾微瓦，而高功率意味著幾毫瓦。另一方面，電力電氣工程師認(rèn)為與自己的千瓦信號相比，兩者都是噪聲。）

既然我們已經(jīng)探究了天線如何輻射功率的理論動力學(xué)，以下就給出一些可以使您的天線設(shè)計(jì)更有效的實(shí)用注意事項(xiàng)：

對完美天線尺寸的需求源于對良好天線增益和覆蓋范圍的需求，這可能會因目標(biāo)解決方案而異。舉例來說，如果一個藍(lán)牙鼠標(biāo)在50厘米的范圍內(nèi)以5 kbps（低數(shù)據(jù)速率）運(yùn)行，這意味著天線的尺寸是有調(diào)整空間的，無線鼠標(biāo)所需的天線可以比波長的1/2小得多。較小的尺寸意味著天線不再是完美的匹配組件 —— 但是如果應(yīng)用只需要向空間中輻射一小部分電磁能量，誰又會在乎它呢。

雖然波長的1/2是天線理論上的理想尺寸，但是縮小到波長的1/4以實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸往往是可行的。只需在1/4波長的天線下集成一個接地層。基于鏡像理論和其他的電磁理論實(shí)踐，具有接地層的1/4波長天線的表現(xiàn)類似于1/2波長天線。

通常，接地層的設(shè)計(jì)需要足夠?qū)?，并且是連續(xù)的。

還必須仔細(xì)檢查最終產(chǎn)品的塑料外殼。塑料比空氣具有更高的介電常數(shù)（所以波阻抗會不同）。因此，設(shè)計(jì)成能完美地向空間中輻射的天線一旦被塑料封裝，其性能可能會下降。根據(jù)外殼的緊密程度，甚至可能會影響天線的近場動力學(xué)，這可能會對性能產(chǎn)生更多不利影響。

密切注意天線饋電。該結(jié)構(gòu)僅負(fù)責(zé)從設(shè)備中接收信號并將其和諧地饋送到天線。饋電直接影響帶寬和整體設(shè)計(jì)的可靠性。

現(xiàn)在我們已經(jīng)討論了天線的周邊環(huán)境，接下來再仔細(xì)看看匹配網(wǎng)絡(luò)。這可能會有些令人困惑，為什么我們還需要進(jìn)行匹配？匹配實(shí)質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)我們使用功率放大器（PA）創(chuàng)建高能量波時，它具有一定的波阻抗。但是標(biāo)準(zhǔn)天線（以及從芯片到天線的所有連接器和走線）的波阻抗為50歐姆。因此，為了有效地傳播能量，需要確保離開PA的波轉(zhuǎn)換為50歐姆。所以我們使用匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

這里有個匹配網(wǎng)絡(luò)的流體力學(xué)類比：您小時候曾經(jīng)玩過水管嗎？當(dāng)您擠壓水管的開口時，水壓會增加，水會噴得更遠(yuǎn)（見圖7）。根據(jù)流體力學(xué)，質(zhì)量、截面積和流速之間存在一定的關(guān)系，減小水流的截面積可以提高水流的速度。流體力學(xué)的截面積類似于電動力學(xué)的波阻抗，而匹配網(wǎng)絡(luò)的作用則與擠壓水管的開口非常相似。

擠壓水管的開口會導(dǎo)致水噴得更遠(yuǎn)

這里再以簡潔的描述總結(jié)一下天線的工作方式。一堆在芯片上不同存儲單元之間擺動的電子，可以告訴我們哪些存儲單元存儲著1，哪些存儲著0。然后，我們獲取這些擺動的電子，并調(diào)制以更高速率（每秒24億次擺動，即2.4 GHz）擺動的其他電子。我們將功率放大器的輸入暴露給以2.4 GHz速率擺動的電子。然后功率放大器將強(qiáng)電磁波注入天線。最終，我們使天線表面上的電子以信道的精確頻率擺動，并產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的自由空間電磁波，該電磁波會在充滿許多其他電磁波（其他無線電波和光波以及很多其他波）的整個空間中傳播。然后，該電磁波會使接收器天線表面上的電子以相同的頻率擺動。所有的擺動電子都在接收器鏈上跳動，以解碼最初編碼的1和0的信息。
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