下面的內容并不是要對天線和匹配網絡如何工作來進行扎實的理論解釋。我們知道非常著名的解釋點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行輻射的理論。但是，當涉及現實世界中的實際天線時，我們的許多知識都是經驗性的。首先，對于大多數天線，我們沒有封閉式的輻射方程。

其次，即使我們對某些天線進行方程式求解，數學運算也非常復雜且難以理解。天線設計是一個經驗實踐的進展比理論知識快得多的領域。考慮到這些能量轉換器的復雜性，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，這些定律在解決天線設計的實際問題時幾乎也是沒有用的。

Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）物聯網無線解決方案設計工程師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知。無線電子設備中有許多物理（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容，尤其是當他們的工作是具體到設計一個匹配網絡或相控陣天線時。我做的是將這些知識點串連起來 —— 從以非相對論速度振蕩的輻射點電荷到將水表讀數傳輸至網關的藍牙通信信道。對于射頻工程的新手來說，希望本文在塑造對天線設計和匹配網絡的廣泛理解方面可以有所助益。而對于無線專家，則希望強調最佳實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計。我們最熟悉的是單極天線，因為它曾經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出八木天線（Yagi-Udaantenna），因為它一直作為我們屋頂上的電視接收器天線，直到20世紀90年代末。出于經濟和機械方面的原因，當今的無線電子設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。只需多一點點對電磁學的想象和理解，就可以同樣的視角看待它們。

圖1 天線設計示例

天線是一個能量轉換器。它從一側接收導行電磁波，從另一側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；因為電線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，當我們談論輻射電磁能量的天線時，實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：它以標準（FCC、ETSI等）允許的頻率振蕩，并且具有足夠的功率去穿越應用的目標范圍。例如，藍牙天線必須能夠發送/輻射數十毫瓦的電磁波，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。現在，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換器這一點上。

為了消除關于能量轉換器這一術語的歧義，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習過的雙繞組變壓器，它如今仍在電網中使用（見圖2）。發電廠會產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較長的導線，且損耗更少。

圖2 （左）電力變壓器；（右）整個變壓器的能量轉換示意圖

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，我們可以看到天線如何準備電磁波以使其離開波導朝自由空間射出（見圖3）喇叭天線這種逐漸打開的形式基本上就是能量轉換器，它從同軸電纜接收阻抗為50歐姆的導行波，并將其轉換成阻抗為377歐姆的自由空間波。在不使用任何數學公式的情況下，我們僅對天線做一些相關且顯而易見的說明：它們是將導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？因為和電力變壓器的案例一樣，導行波也需要這種能量轉換，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，發現波阻抗為377歐姆。另外，可以進行實驗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值。這是迄今為止人類歷史上最令人印象深刻的科學驗證之一。那50歐姆呢？為什么波導內的波阻抗為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準數值（盡管其中一些微波電路是75歐姆甚至更高）。然而在現代微波技術，即片上微波電路中，沒有人再在乎這個50歐姆的數字了。這個標準從何而來？顯然，這是過去同軸電纜設計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因數。

圖4 50歐姆是最大功率容量與同軸電纜損耗之間的折衷

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

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

要使用更小尺寸的天線，所需要的是更高的信號頻率。這是我們對信號進行調制時所做的事情。調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，結果是調幅（AM）信號。是的，就像老式汽車收音機中的AM一樣。使用藍牙時，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備中。好了，現在這整個調制技巧又讓我們看到了現代射頻工程的另一大優勢：共存。

圖5 調制就是在高頻可傳輸信號的信息中編碼低頻信號

當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送到這種電磁以太中，但不清楚為什么這些聲音數據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備使用了調制來避免此問題。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。每當兩個藍牙節點（或任何其他通信標準，但讓我們繼續以藍牙為例）嘗試創建連接時，它們都會選擇一個信道進行通信（見圖6）。然后，在此信道關聯的載波上調制所有位（那些1和0）。現在，即使附近有另一個藍牙連接發生，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。每個連接位于不同的載波頻率上，因此，可以只解調用于該信道的特定載波頻率，來解碼打算在該連接上傳輸的信息。

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。現在，我們有個2.4 GHz調制載波，以及正在嘗試通過藍牙信道傳輸的信息。同時我們也有個5毫米的微型天線，可以接收50歐姆的波并將其轉換為377歐姆的自由空間波。然而，仔細看看我們所擁有的，我們意識到自己仍然需要做更多的工作。我們已經在芯片上準備了2.4 GHz信號，這意味著它是低功率信號。現在是時候將低功率信號轉換為高功率了，我們使用功率放大器（PA）來實現。（當然，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，電力電氣工程師認為與自己的千瓦信號相比，兩者都是噪聲。）

既然我們已經探究了天線如何輻射功率的理論動力學，以下就給出一些可以使您的天線設計更有效的實用注意事項：

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，這可能會因目標解決方案而異。舉例來說，如果一個藍牙鼠標在50厘米的范圍內以5 kbps（低數據速率）運行，這意味著天線的尺寸是有調整空間的，無線鼠標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以實現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踐，具有接地層的1/4波長天線的表現類似于1/2波長天線。

通常，接地層的設計需要足夠寬，并且是連續的。

還必須仔細檢查最終產品的塑料外殼。塑料比空氣具有更高的介電常數（所以波阻抗會不同）。因此，設計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。根據外殼的緊密程度，甚至可能會影響天線的近場動力學，這可能會對性能產生更多不利影響。

密切注意天線饋電。該結構僅負責從設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計的可靠性。

現在我們已經討論了天線的周邊環境，接下來再仔細看看匹配網絡。這可能會有些令人困惑，為什么我們還需要進行匹配？匹配實質上就是能量轉換。當我們使用功率放大器（PA）創建高能量波時，它具有一定的波阻抗。但是標準天線（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的波轉換為50歐姆。所以我們使用匹配網絡來實現這一點。

這里有個匹配網絡的流體力學類比：您小時候曾經玩過水管嗎？當您擠壓水管的開口時，水壓會增加，水會噴得更遠（見圖7）。根據流體力學，質量、截面積和流速之間存在一定的關系，減小水流的截面積可以提高水流的速度。流體力學的截面積類似于電動力學的波阻抗，而匹配網絡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致水噴得更遠

這里再以簡潔的描述總結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，并產生數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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