天线设计该如何入门
?學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。
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摘要：
天線設(shè)計(jì)的專業(yè)壁壘相對較高，需要一定理論儲(chǔ)備和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，翻看一本天線工程手冊后你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是個(gè)大學(xué)問。有網(wǎng)友刻畫自己過著左手割銅皮、右手握烙鐵風(fēng)槍，雙顯示器打開論文書籍和HFSS的工作日常，可以說是毫不夸張。那么天線設(shè)計(jì)該如何入門呢？
生活中的天線
天線在日常生活中應(yīng)用比較廣泛，只要有無線通訊的需求，天線就必不可少。比如手機(jī)里的FPC天線（中低端機(jī)型）和中框天線（高端機(jī)型必配）：
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接著就是上網(wǎng)必備的路由器了，看這機(jī)身一圈桿狀天線，咱也不敢說咱也不敢問，問就是信號(hào)滿格。言歸正傳，增益的提升確實(shí)會(huì)彌補(bǔ)遠(yuǎn)距離下信號(hào)差所引起的吞吐率降低，但是機(jī)身就這么大，在固定的口徑面積下，即使口徑利用率拉滿，陣列的總增益也有上限。若采用多天線分集技術(shù)，將不同天線的多路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成處理，能改善信噪比，為系統(tǒng)提供了額外的信道增益。從一定程度上來說，增加天線的數(shù)量可以提高覆蓋范圍、信號(hào)強(qiáng)度、穿墻能力等。不過話說回來，盲目增加天線個(gè)數(shù)，可能加大天線之間的耦合度，適得其反。
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然后就是“學(xué)歷越低輻射越大”的基站上的基站天線了，沒有它，大家出門通信都成問題。
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除此之外，藍(lán)牙耳機(jī)、無線鼠標(biāo)、USB無線網(wǎng)卡、航拍無人機(jī)等電子消費(fèi)品里都離不開天線。
相信看到這里，大家對天線在日常生活中扮演的角色應(yīng)該有一定的認(rèn)知了，不過有人可能也會(huì)疑惑，為什么上面這幾種天線的形狀大相徑庭，這玩意能像阻容感一樣，直接做成封裝集成的形式么？
答案是肯定的，封裝天線（Antenna-in-Package, AiP）技術(shù)是過去近 20 年來為適應(yīng)系統(tǒng)級(jí)無線芯片出現(xiàn)所發(fā)展起來的天線解決方案。例如通過陶瓷共燒的方式，將天線的金屬導(dǎo)體根據(jù)設(shè)計(jì)需要印制在多層陶瓷介質(zhì)層上，這樣一來就有效的縮小了天線尺寸，還能達(dá)到隱藏天線的目的。
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雖然其占用空間很小，如下是一個(gè)工作在LTE全網(wǎng)通頻段的封裝天線（圖源來自于知乎@CrossAir貼片天線），其尺寸僅有23mm×3.5mm×1.6mm。
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但是其阻抗帶寬窄，比較難在多頻段達(dá)到良好的性能。根據(jù)下圖的測試結(jié)果可以看出，該封裝天線在LTE中高頻時(shí)的VSWR保持在2~3之間，部分頻段大于3，而且?guī)?nèi)平均增益低于0.5dBi。
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有人可能會(huì)覺得中高頻的增益雖然不高，但是帶內(nèi)平均效率和峰值效率都在40%~50%，手機(jī)天線看了都直呼內(nèi)行。但這其中忽略了一點(diǎn)，就是手機(jī)天線是考慮了整機(jī)損耗的。
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除此之外，采用這種封裝式的天線，還需按要求在PCB附近留有一定凈空，且應(yīng)用到產(chǎn)品時(shí)，外殼或天線罩也會(huì)對天線的性能造成影響，導(dǎo)致其應(yīng)用的靈活性不高。這在一定程度上也限制了封裝天線的廣泛應(yīng)用。
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天線的獨(dú)特性
近些年來，射頻器件的集成度越來越高。比如說常用的低噪放，如下圖所示，一開始需要選擇場效應(yīng)管，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，外圍匹配設(shè)計(jì)等。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在整個(gè)收發(fā)機(jī)都可被集成到單芯片內(nèi)，而且體積小，性能好，關(guān)鍵是還便宜。
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?下圖是工作頻段57 - 64 GHz的毫米波發(fā)射雙工器HMC6000LP711E。閱讀其產(chǎn)品手冊，我們可以發(fā)現(xiàn)，芯片的表貼尺寸只有為7x11mm，但集成了7.5dB增益的單天線并實(shí)現(xiàn)了23.5dBm的EIRP性能，麻雀雖小五臟俱全。
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雖然可以將天線集成到芯片中，但是封裝天線的性能難以滿足個(gè)性化的需求。像汽車上常用的毫米波雷達(dá)則需要高增益天線，因此把天線拿出來單獨(dú)給塊凈空進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)是很有必要的。
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?除此之外，車載毫米波雷達(dá)的探測距離和FOV需要進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)。對于遠(yuǎn)距離前向探測，要求可探測距離較遠(yuǎn)，因此需求窄波束高增益；對于大角度FOV，需要檢測較大視野范圍內(nèi)的目標(biāo)，因此寬波束低增益即可滿足實(shí)際需求。
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?如下圖所示，通過切換兩幅天線分時(shí)工作，可以分別實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離小角度和近距離大角度的FOV進(jìn)行覆蓋。
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但是上述方法需要額外增加發(fā)射通道，為了實(shí)現(xiàn)單通道發(fā)射天線對不同探測距離擁有不同探測視場角的需求?？梢詤⒖缄嚵刑炀€的賦形波束綜合(一)，陣列天線的賦形波束綜合(二)，優(yōu)化各功分各饋電網(wǎng)絡(luò)通道對單列串饋天線提供的激勵(lì)幅度和相位，通過波束賦形綜合所需要的方向圖（子陣數(shù)量較少時(shí)，賦形效果不一定能滿足需求）。除此之外，合理優(yōu)化子陣間的距離和饋電相差也可以達(dá)到此效果（如下圖所示），從而降低雷達(dá)硬件成本。
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?上述例子都說明了天線在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)產(chǎn)品和需求進(jìn)行新方案的研發(fā)設(shè)計(jì)。在天線工程師的“飯碗”要被搶了？一文中，CST的Antenna Magus可以一鍵設(shè)計(jì)常用天線。除此之外，Ansys HFSS的ACT Extension也集成了Antenna Toolkit。那么天線設(shè)計(jì)是不是就和拖控件一樣簡單呢？答案是否定的！輔助工具集成的天線模型雖然多，但是沒有考慮結(jié)構(gòu)，尺寸，天線罩的影響，而且軟件生成的大多數(shù)模型參數(shù)并不是能直接用來投板加工。即使天線工程師依據(jù)于電磁仿真軟件進(jìn)行建模、優(yōu)化的天線，其加工實(shí)物來也會(huì)與仿真有一定偏差，這個(gè)修正工作也是需要有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員參與的。
天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)
對于科班出身的學(xué)生來說，本科階段往往要學(xué)好多專業(yè)課。以某高校電磁場與無線技術(shù)專業(yè)為例，其本科階段主修課程為：電路分析基礎(chǔ)、模擬電路基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用、電磁場理論、微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)、微波技術(shù)基礎(chǔ)、電波傳播、天線原理與設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、隨機(jī)信號(hào)分析、微波網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與系統(tǒng)等。
其中電磁場理論、微波技術(shù)基礎(chǔ)和天線原理與設(shè)計(jì)是作為一個(gè)科班出身的天線工程師所必須掌握的專業(yè)課。有人調(diào)侃自己學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)到禿頭，工作時(shí)90%內(nèi)容用不到，這個(gè)話確實(shí)很真。畢竟做工程用不到波動(dòng)方程，格林函數(shù)。不是每個(gè)人都要推公式去做學(xué)術(shù)的，因此普通的本科生和碩士研究生而言，把David M.Pozar的微波工程以及Balanis的Antenna theory analysis and design根據(jù)自己需求大致學(xué)習(xí)一遍是很有必要的。但這只是第一步，如果你想做陣列天線，基站天線等，還得找相關(guān)理論書籍進(jìn)行學(xué)習(xí)。理論是基石，除此之外，熟練使用HFSS、CST等電磁仿真軟件則是科研、工作的必備利器，如果能會(huì)MATLAB或者Python則更是錦上添花。
在從事天線設(shè)計(jì)這個(gè)行業(yè)里，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你懂的越來越多，但不懂的也越來越多。當(dāng)你看了教材里的喇叭天線后覺得簡單，殊不知還有雙模/多模喇叭天線，寬帶加脊喇叭天線，波紋喇叭天線等。在淺談"天線和通信歷史"里提到赫茲在一百多年前做出了第一個(gè)天線，而現(xiàn)在天線的種類和變形方案浩如煙海，個(gè)人窮極一生也難以學(xué)完。但萬變不離其宗，我們可以在學(xué)習(xí)的過程中積累思辨能力，往往能達(dá)到觸類旁通的效果。
行業(yè)現(xiàn)狀
最后也探討這個(gè)行業(yè)的現(xiàn)狀：天線設(shè)計(jì)的找工作難度倒是沒有那么大，不過大部分集中在消費(fèi)電子領(lǐng)域。而且大部分公司的業(yè)務(wù)范圍不廣，也不會(huì)讓你啥天線都做。如果想在職業(yè)上獲得成就感，可能還是得向內(nèi)索取，畢竟產(chǎn)品為王，懂得人都懂。
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不過相對而言，小公司養(yǎng)天線電磁這塊的人，顯得雞肋，還不如外包。大公司吧，又不是很重視，尤其手機(jī)通信廠商，技術(shù)含量說高也高，說不高也不高，不懂的人看來，你就不是個(gè)材料上貼點(diǎn)銅的東西嘛，有啥難度？所以在公司的地位也不高。（知乎上某自嘲的網(wǎng)友評(píng)論）
雖然天線設(shè)計(jì)的專業(yè)性強(qiáng)，行業(yè)壁壘高，但就業(yè)面相對較窄（不是勸退哈）。除了研究所和一線沿海城市的高科技企業(yè)外，要是想回內(nèi)地省份，老家二三線的城市找到一份天線設(shè)計(jì)的工作，確實(shí)無門。
寫到這里其實(shí)就想表達(dá)：天線設(shè)計(jì)這行由于從業(yè)人數(shù)遠(yuǎn)小于IT互聯(lián)網(wǎng)（畢竟高校要開設(shè)電磁場與無線技術(shù)之類專業(yè)，還是需要一定門檻的），因此內(nèi)卷較小，不過大部分從業(yè)人員的酬勞也沒法和互聯(lián)網(wǎng)那種跳幾跳base就double相比。
和程序員一樣，底層的碼農(nóng)（對應(yīng)初級(jí)天線工程師，拿到模型調(diào)參數(shù)）不稀缺，但是做算法和架構(gòu)（對應(yīng)天線方案布局設(shè)計(jì)）確實(shí)需要在理論和實(shí)踐上有一定造詣。一個(gè)高級(jí)天線工程師往往需要經(jīng)過大量工程項(xiàng)目的錘煉并不斷總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在看到需求指標(biāo)后腦海中就可以浮想出好幾套天線方案，并且根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，預(yù)估成本，工作環(huán)境和重量要求等快速鎖定方案，這是需要一定時(shí)間和閱歷去積累的。希望各位同行都可以往這個(gè)目標(biāo)去收斂！
作者：94巨蟹座少年
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文章來源：https://www.rfask.net/article-663.html
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總結(jié)
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