當(dāng)談到現(xiàn)實世界中的實際天線時，有很多知識都是經(jīng)驗性的。眾所周知，這個領(lǐng)域有很多理論——有解釋點電荷輻射方式的（麥克斯韋方程），有解釋匹配需求的（微波理論），還有解釋偶極子天線輻射方式的——但這些定律基本上都無法解決天線設(shè)計的實際問題。本文將從物理層面對無線電子設(shè)備如何工作分享一些直觀認知，希望幫助讀者更廣泛地了解天線設(shè)計和匹配網(wǎng)絡(luò)，并強調(diào)最佳實踐的價值以及來之不易的學(xué)問。

本文并不打算對天線和匹配網(wǎng)絡(luò)的工作方式進行深入的理論解釋。首先，對于大多數(shù)天線，并沒有封閉形式的輻射方程。其次，即使掌握了一些天線的方程，數(shù)學(xué)運算也會非常復(fù)雜并且難以理解。在天線設(shè)計領(lǐng)域，實踐經(jīng)驗的發(fā)展要比理論知識快得多——考慮到這種能量轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜性，這是可以理解的。

無線電子設(shè)備中有許多的物理（硬件）層和非物理（軟件）層，由于工程師的工作經(jīng)常會具體到設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)或相控陣天線，因此他們傾向于只去了解其中的部分內(nèi)容。這個領(lǐng)域包含從輻射點電荷以非相對論的速度振蕩，到藍牙通信信道將水表讀數(shù)傳輸至網(wǎng)關(guān)等各個層面，本文想要將所有這些知識點關(guān)聯(lián)起來。

給出了一些常見的天線設(shè)計。我們最熟悉的是單極天線——它曾經(jīng)是電視廣播接收、第一代移動電話甚至玩具的主流天線。一些模擬和無線領(lǐng)域的老工程師可能還認識八木天線——直到20世紀(jì)90年代末，它一直裝在我們的屋頂上。出于經(jīng)濟和機械原因，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。然而，在筆者看來，最容易解釋的天線是喇叭天線。即便如此，這里所闡釋的有關(guān)喇叭天線的概念，也適用于其他類型的天線。只需多一點對電磁學(xué)的想象和理解，就可以以同樣的角度來了解它們。

圖1：天線的形狀各種各樣，但它們都是能量轉(zhuǎn)換器。

天線是一種能量轉(zhuǎn)換器——它從一側(cè)接收導(dǎo)行電磁波，然后從另一側(cè)輻射出自由空間球面波。任何電線或多或少都有這一現(xiàn)象，它們會將穿過自身的電磁能量輻射出去一部分——這也正是使用電氣絕緣的原因之一。但是，通常在談?wù)撎炀€輻射電磁能量時，它實際上是指一種非常特殊的輻射——有用的電磁輻射。

目前，有用的電磁輻射就是指這樣一種電磁波：以標(biāo)準(zhǔn)（FCC、ETSI等）所允許的頻率振蕩，并且具有足夠的功率，可穿過應(yīng)用所需的目標(biāo)范圍。例如，藍牙天線必須要能發(fā)射/輻射數(shù)十毫瓦的電磁波，從而能夠穿越幾米的空間。后面還會再來講這個例子，現(xiàn)在先重點來看天線是具有特定頻率和輸出功率的能量轉(zhuǎn)換器這件事。

為了消除對能量轉(zhuǎn)換器這個術(shù)語的歧義，我們來看個熟悉的例子：電力變壓器——它吸收一種形式的電能，然后將另一種不同形式的電能傳輸出去。它改變了電信號的電壓電流比，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）。我們在高中時學(xué)過的雙繞組變壓器就是一種常見的變壓器，它如今仍在電網(wǎng)中使用（見圖2）。發(fā)電廠所產(chǎn)生的電信號具有非常大的電流和低電壓，為了將這個信號“傳輸?shù)健睌?shù)百英里遠而實現(xiàn)最小損耗，可以使用變壓器來增大波阻抗；換句話說，就是要增大電壓，減小電流。較小的電流流經(jīng)長導(dǎo)線時所產(chǎn)生的損耗更少。

圖2：常見的電力變壓器（左）及其能量轉(zhuǎn)換示意圖（右）。

從純粹的電氣意義上講，天線的作用和變壓器一樣。例如，觀察某個末端裝有喇叭天線的矩形波導(dǎo)，就可以了解天線是如何準(zhǔn)備電磁波，而將波導(dǎo)射向自由空間的（見圖3）。實際上，喇叭天線這種逐漸的開口可以起到能量轉(zhuǎn)換器的作用——它從同軸電纜接收阻抗為50Ω的導(dǎo)行波，然后將其轉(zhuǎn)換成波阻抗為377Ω的自由空間波。

圖3：喇叭天線改變電磁能量的阻抗。

在不使用任何數(shù)學(xué)公式的情況下，上文對天線做了一些相關(guān)、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元件。為什么這種匹配很重要？因為和電力變壓器的案例一樣，導(dǎo)行波也需要能量轉(zhuǎn)換，以便能夠以最小的損耗穿過自由空間。（如果電磁波的波阻抗與自由空間的阻抗不一致，它就無法在自由空間中傳播。）

波阻抗是電磁波中的電能與磁能之比，因此當(dāng)我們說自由空間的波阻抗是377Ω時，意味著要使電磁波穿過自由空間，其波阻抗必須為377Ω。之所以知道這個數(shù)值，是因為通過求解自由空間中的麥克斯韋方程，可得到波阻抗為377Ω。或者，也可以進行實驗來測量自由空間波中的電能與磁能之比，同樣會非常精確地得出相同的數(shù)值。這是迄今為止人類歷史上最令人印象深刻的科學(xué)驗證之一。

那波導(dǎo)內(nèi)的波阻抗為50Ω又是怎么回事呢？從歷史上看，50Ω是微波電路中所使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（但有些微波電路是75Ω甚至更高）。然而，在現(xiàn)代微波技術(shù)或者說片上微波電路中，已經(jīng)沒有人在乎50Ω這個數(shù)字了。那么，這個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值從何而來？顯然，這是過去的同軸電纜設(shè)計人員在電纜的最大功率容量和損耗之間找到的折衷。這個折衷數(shù)值就是50Ω，自那以后它就成為每個無線工程師都在使用的品質(zhì)因數(shù)（見圖4）。

圖4：50Ω這一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值是同軸電纜的功率容量和損耗之間的折衷。

現(xiàn)在，假設(shè)你正在嘗試構(gòu)建一個SoC，用于檢測和處理將以無線方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的水表數(shù)據(jù)。SoC存儲器中所保存的數(shù)據(jù)以1和0表示，我們可以按順序讀取它們，然后準(zhǔn)備好要發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。還有一個能量轉(zhuǎn)換器，就是天線。我們知道，天線可以從電線中接收電磁能，改變其阻抗，然后將其發(fā)送到自由空間中。那么是否可以將這些1和0直接應(yīng)用于天線？那樣行得通嗎？

在無線電傳輸技術(shù)發(fā)展的早期，開發(fā)人員可以通過在天線的一端創(chuàng)建“開/關(guān)”鍵控信號，然后在另一位置用另一接收器讀取該信號，而成功地將數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于天線。然而，在現(xiàn)代射頻工程中，考慮到許多原因，我們無法實現(xiàn)這種直接應(yīng)用。首先，這些1和0是以微控制器（MCU）的頻率產(chǎn)生的，通常為數(shù)十兆赫茲（MHz）。而天線需要大約15m長，才能將10MHz、50Ω的導(dǎo)行波有效地轉(zhuǎn)換為377Ω的自由空間波。這個尺寸對于當(dāng)今任何電子設(shè)備來說都是巨大的，可以想象一下如果智能手機有一根15m長的天線會是什么樣子。

那么，為什么天線必須要這么長呢？為了使天線盡可能高效，就需要它在所發(fā)射波的頻率附近發(fā)生諧振。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)中保留盡可能多的能量，而不是將其反射回源端。這樣就可實現(xiàn)更大的輻射功率。諧振要求天線尺寸等于行波波長的一半。因此，從本質(zhì)上講，對這種直接應(yīng)用而言，有效天線的長度應(yīng)該和行波波長處在同一個數(shù)量級上。光速、行波的頻率和波長之間的關(guān)系是光速=波長×頻率，使用這種關(guān)系就可以計算出天線的尺寸為15m。

調(diào)制

要使用更小尺寸的天線，就需要更高的信號頻率，這正是我們對信號進行調(diào)制時所做的事情。調(diào)制就是將低頻信號編碼到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，也就是和老式汽車收音機中的是一回事。使用藍牙時，這一載波的頻率為2.4GHz，這樣可以將天線尺寸減小到約2cm。這也就是我們不再看到天線的原因之一——它們足夠小，可以隱藏在我們的電子設(shè)備中。

圖5：調(diào)制是將低頻信號編碼到高頻可傳輸信號中。

調(diào)制技術(shù)還為我們帶來了現(xiàn)代射頻工程的另一大優(yōu)勢：共存。20世紀(jì)90年代，當(dāng)我還是個孩子時，我對我的父親和姐姐在同一時間打電話感到很困惑。他們怎么聽不到對方的聲音呢？看起來我父親正在將他的聲音傳送到電磁以太中，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。事實證明，移動電話和無線電子設(shè)備使用了調(diào)制技術(shù)來避免這一問題。

電磁以太或頻譜可以劃分成若干的小帶寬，也就是我們在射頻工程中所說的信道。每當(dāng)兩個藍牙節(jié)點（也可以是其他任何通信標(biāo)準(zhǔn)，但此處我們以藍牙為例）嘗試創(chuàng)建連接時，它們都會選擇一個信道進行通信（見圖6）。然后，它們會將所有的位（1和0）調(diào)制到與該信道相關(guān)的載波上。這樣一來，即使附近有另一個藍牙連接發(fā)生，第一個連接也不會受到明顯影響，因為兩者在頻譜空間中是正交的。不同的連接會發(fā)生在不同的載波頻率上，因此，針對某一連接，只需解調(diào)相應(yīng)信道所用的特定載波頻率，就可以解碼該連接上所傳輸?shù)男畔ⅰ?/span>

圖6：藍牙使用了大量的信道來保持通信鏈路的獨立性。

讓我們再來看看無線通信中另一個容易困惑的地方。現(xiàn)在有一個2.4GHz的調(diào)制載波，以及打算通過藍牙信道傳輸?shù)男畔ⅰＭ瑫r，有根5mm的微型天線，可以接收50Ω的波并將其轉(zhuǎn)換為377Ω的自由空間波。

然而，仔細看看我們所擁有的，就會發(fā)現(xiàn)還有一點工作需要做。這個2.4GHz信號是已經(jīng)在芯片上準(zhǔn)備好了的，所以它是個低功率信號。那么接下來要做的就是將這個低功率信號轉(zhuǎn)換為高功率，可以使用功率放大器（PA）來實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。（當(dāng)然，高和低是相對的說法，這里的低功率指的是幾微瓦，而高功率指的是幾毫瓦。如果從強電工程師的角度看，他們會認為與其千瓦級的信號相比，兩者都是噪聲。）

上面對天線如何輻射功率的相關(guān)理論進行了探究，接下來再給出一些實用的注意事項，來幫助各位更高效地進行天線設(shè)計：

之所以要追求完美的天線尺寸，是因為需要良好的天線增益和覆蓋范圍，當(dāng)然這會因目標(biāo)解決方案的不同而有所變化。舉例來說，藍牙鼠標(biāo)通常在50cm的范圍內(nèi)以5kbps（低數(shù)據(jù)速率）運行，這意味著無線鼠標(biāo)所需的天線可以比λ/2小得多。較小的尺寸意味著天線并不是完美的匹配元件，其覆蓋范圍變小，但是如果應(yīng)用只需要向空間輻射一點點電磁能量，那么這就沒有什么問題了。

雖然λ/2是天線理論上的理想尺寸，但是縮小到λ/4以實現(xiàn)更小的外形尺寸往往是可行的——只需在λ/4的天線下集成一個接地層即可。基于鏡像理論和一些電磁理論實踐，帶有接地層的λ/4天線，其表現(xiàn)類似于λ/2天線。

根據(jù)一般的經(jīng)驗法則，接地層需要設(shè)計得足夠?qū)挘⑶沂沁B續(xù)的。

最終產(chǎn)品的塑料外殼也必須仔細檢查。相比空氣，塑料具有更高的介電常數(shù)，所以波阻抗也會不同。在設(shè)計時，天線可以完美地向空間進行輻射，可是一旦被封裝到塑料中，其性能或許就會下降。根據(jù)外殼的緊密程度，甚至可能會影響天線的近場動態(tài)，這會對性能產(chǎn)生更多不利影響。

要密切注意天線饋電。這個結(jié)構(gòu)僅負責(zé)從設(shè)備接收信號并將其平穩(wěn)地饋送至天線。饋電會直接影響帶寬和整體設(shè)計的可靠性。

匹配網(wǎng)絡(luò)

上文已經(jīng)對天線的各方面進行了討論，接下來繼續(xù)了解匹配網(wǎng)絡(luò)。這可能有些令人困惑，為什么還需要進行匹配？匹配實質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)使用PA創(chuàng)建高能量波時，它具有某一數(shù)值的波阻抗。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50Ω。因此，為了有效地傳播能量，需要對高能量波的波阻抗進行轉(zhuǎn)換，以確保它在離開PA時波阻抗為50Ω。我們使用匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)這一點。

在流體力學(xué)中有個和匹配網(wǎng)絡(luò)很相似的例子：你小時候曾經(jīng)玩過水管嗎？當(dāng)擠壓水管的開口時，水壓會增加，水會噴得更遠。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，減小水流的截面積就可以提高水流的速度。流體力學(xué)中的截面積類似于電動力學(xué)中的波阻抗，而匹配網(wǎng)絡(luò)的作用則與擠壓水管開口的作用非常相似。與擠壓水管的開口可使水噴得更遠相類似，匹配網(wǎng)絡(luò)可用來增強電磁功率傳輸。

就是這樣。芯片上不同存儲單元之間大量的電子擺動，告訴我們哪些存儲單元是存儲1，哪些是存儲0。然后，獲取這些擺動的電子，并用以更高速率擺動（每秒24億次擺動，即2.4GHz）的電子對其進行調(diào)制。再將這些以2.4GHz速率擺動的電子輸入到PA，PA就會向天線注入強電磁波。

最終，電子就會在天線表面上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，而在充滿其他各種電磁波的空間中傳播。然后，該電磁波會使接收天線表面上的電子以相同的頻率擺動。所有電子都會在接收器鏈路上不停擺動，以解碼最初以1和0編碼的信息。

以上是關(guān)于現(xiàn)代無線通信的簡短描述。馬可尼是如何使改變世界的無線電波橫跨大西洋傳送的？蜂窩技術(shù)又是如何將我的聲音發(fā)送到基站，然后跨越全球?qū)⑽业穆曇魯?shù)據(jù)傳送到地球另一端我的父母那里的？為了實現(xiàn)這些射頻技術(shù)的演進，就必須通過設(shè)計使得芯片上產(chǎn)生大量的振蕩。

關(guān)于作者

AsemElshimi是SiliconLabs公司IoT無線解決方案的RFIC設(shè)計工程師。他于2018年7月加入SiliconLabs。Asem專注于射頻電路設(shè)計和電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。他擁有加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的電氣與計算機工程理學(xué)碩士學(xué)位