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超越电线：天线因应苛刻的无线要求而进行的发展与演变

作者： Bill Schweber 2021-12-21

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天线真是奇妙的东西。它们既神奇又神秘，没有它我们的无线世界也就不存在了。自从 19 世纪 80 年代海因里希·赫兹首次使用火花隙——一种粗糙的天线类型，将信号作为无线能量在桌子上发送出去以来，天线的设计和实现对于无线设备及其所支持通信链路的成功至关重要（图 1）。

图 1：这是海因里希·赫兹用来研究我们现在知道的通过无线电磁场传输电力的神秘现象的现代版本。（图片来源：Lesics Engineers Pvt.Ltd.）

那么，天线到底是做什么的呢？从物理学和电力的角度来看，它是一个由伏特和安培代表的电力和由麦克斯韦方程描述的自由空间电磁 (EM) 场之间的转换器。我们将在随后的博客中更多地讨论这个物理学问题，但现在，只需知道它们表现出相互性，并且是不分方向的，因为它们能够将电能从电路辐射到自由空间，也能捕捉环境中的电磁功率，并将其输送到电路中。

天线可以是一个非常简单的一段电线，也可以是一个令人难以置信的复杂器件，包括许多元件、精心排列的几何结构和复杂的互连方式。其尺寸是频率、功率和其他所需性能特征的函数，大小横跨几毫米到占据数十英亩的巨大阵列范围，并且受到其支持的系统的空间限制。

与所有的组件一样，它们最初的特征只有几个顶级参数，随后才出现了许多次要参数。当然，在某些应用中，次要属性也可能非常重要。其中值得关注的主要属性有：

工作频率：天线提供有用性能的频率或频带的中心。
带宽：天线工作的频谱宽度，以及它是单频还是多频设计。
效率：辐射或捕获电磁能量的能力。
辐射：在 360⁰ 水平面（方位角）和垂直面（仰角）的图案（图 2）。

图 2：在众多感兴趣的天线属性中有方位角和仰角辐射图。（图片来源：VCEguide）

对于这些因素，无法对它们作出简单的“好”、“更好”或是“最好”的评价。例如，从更好地满足应用要求来看，有些应用需要更多的带宽，而另一些则需要更少的带宽。

虽然理想的天线在其工作频率上看起来是一个纯阻性负载（通常是 50 或 75 Ω），但大多数实际天线的阻抗也有一个电抗成分。同时，驱动天线的发射器输出（或连接到天线的接收器）也有自己的电抗性非阻性阻抗。这两个现实情况的结合往往需要匹配这些阻抗。

与直觉相反，“匹配阻抗”并不意味着这些阻抗是相等的。相反，它意味着源阻抗和负载阻抗是彼此的复共轭，这一条件可在两者之间实现最大功率传输。与天线一样，有无数的布局、元件和技术可用于实现阻抗转换，以提供这种匹配，包括使用分立无源元件（图 3）。

图 3：这个有代表性的贝椤电路使用电容和电阻来为具有阻性和感性阻抗元件的天线提供阻抗匹配。（图片来源：ResearchGate）

对于发射器到天线的链路，目标是使电压驻波比 (VSWR) 接近统一，这意味着有效的功率传输，没有反射功率返回到源头。

千万不要不知所措

鉴于天线的类型和配置的无穷无尽，整个主题可能看起来令人不知所措。幸运的是，有一个基本点要记住：几乎所有的天线都是由两个基本模块中的一个建立起来的。它们是具有实际（或虚拟）地平面的单元件“非平衡”单极天线，具有长线或鞭状设计（图 4）和平衡式、非接地的偶极天线（图 5）特征形式。这些基本元件经常被单独使用，但也被用来组成更大、更复杂的天线配置。

图 4：长线或鞭形天线的布置是一个使用地平面（这里是汽车的车顶，左）的单元件设计；天线的示意图显示其很简单（右）。（图片来源：Lihong Electronic；Electronics Notes）

图 5：基本偶极是一个没有接地基准的平衡式、对称天线（左），如其图所示（右）。（图片来源：TCARES.net；Tutorials Point）

如果需要，一个被称为贝楞（平衡-不平衡转换器的简称）的适配器可用来实现不平衡接地电路和平衡式、非接地偶极之间的电气转换，还可以转换阻抗（以欧姆 (Ω) 为单位），实现源/接收器和天线之间的电阻匹配（图 6）。

图 6：这个无源贝楞将 50 Ω 的不平衡阻抗转换为 300 Ω 的平衡阻抗。（图片来源：Pinterest）

随着应用的频率、复杂性和灵活性的提高，天线系统也在不断进步。例如，5G 接入点在相控阵中使用了多个天线，其中单个天线元件通过其馈电的相位移动进行电子转向；这是最初用于军事雷达的技术的演变，取代了整个天线组件的机械运动。

其他天线还包括微小的电介质陶瓷谐振器，这是一种具有金属化地平面的小型化芯片级天线。还有一些使用终端产品的印刷电路板作为其地平面（单端）或偶极天线元件。

鉴于天线的复杂性及其可能的配置，怎样才能给自己的应用选择一个合适的天线呢？您可以从成千上万的各种尺寸和性能属性的天线开始，这些天线一般都有现成的或标准的目录产品。这些天线都会提供详细的规格书，列出了它们在实际世界中测得的性能和特征。

如果需要一个新的天线设计来满足独特尺寸、频率或性能属性，则可以使用强大的现代仿真和建模工具重新设计。这些电磁场求解工具可以对几乎任何天线配置的电场和磁场性能（分别为 E 场和 H 场）进行建模（图 7）。

图 7：先进的电磁场建模工具可以定量评估简单和复杂天线配置的性能。（图片来源：Altair Engineering Inc.）

这些工具现在已经十分成熟，足以应对现实世界中的天线问题，如元件两端的电磁场“边缘”效应及其非零厚度。它们甚至可以模拟相邻元件和表面的影响，以及不可避免的寄生效应。

一般来说，这些建模程序可以进行分析但不能进行创造，而有些甚至可以通过提供替代方案和建议修改来帮助您设计所需的天线。研究人员正在为这些程序添加人工智能 (AI)，这将使得这些工具能够设计、探索和分析许多可能的配置，以满足指定的性能目标。作为最终设计选择过程的一部分，他们甚至可以提出可能需要的折衷建议。