當談到現(xiàn)實世界中的實際天線時，我們的大部分知識都是經(jīng)驗性的。我們知道非常廣泛的理論，這些理論解釋了點電荷如何輻射(麥克斯韋方程組)、匹配的必要性(微波理論)以及畫在紙上的偶極子天線如何以它們的方式輻射，但這些定律在解決實際問題時幾乎沒有用處。天線設計的世界難題。通過分享我對無線電子產(chǎn)品在物理層面如何工作的直覺，我希望有助于形成對天線設計和匹配網(wǎng)絡的廣泛理解，并強調(diào)最佳實踐和來之不易的智慧的價值。

以下內(nèi)容絕不是對天線和匹配網(wǎng)絡如何工作的可靠理論解釋。首先，我們沒有大多數(shù)天線的封閉式輻射方程。其次，即使我們確實有一些天線的方程，數(shù)學也非常復雜且難以理解。天線設計是一個經(jīng)驗實踐比理論知識發(fā)展得更快的領域?？紤]到這些能源變壓器的復雜性，這可能是可以理解的。

無線電子產(chǎn)品中還存在許多物理(硬件)和非物理(軟件)層。工程師往往只能了解其中的部分內(nèi)容，尤其是當他們的工作像設計匹配網(wǎng)絡或相控陣天線一樣具體時。我打算做的是以非相對論速度振蕩的輻射點電荷的點連接到藍牙通信通道，將水表讀數(shù)傳送到網(wǎng)關

我們最熟悉的是單極天線，因為它曾經(jīng)是電視廣播接收的主流天線，也是第一代手機甚至玩具的主流天線。一些資深的模擬和無線工程師也會認識到 20 世紀 90 年代末電視接收器一直占據(jù)我們屋頂?shù)陌四居钐锾炀€。出于經(jīng)濟和機械原因，當今無線電子產(chǎn)品中最常見的天線是微帶貼片天線。然而，(在我看來)最容易解釋的天線是喇叭天線。也就是說，我將在喇叭天線上說明的概念適用于其他類型的天線。只需多一點想象力和對電磁學的理解，就能從同樣的角度看待它們。

天線是能量轉換器。它從一側接收引導電磁波，并在另一側輻射自由空間球面波。每根電線都在一定程度上做到了這一點;電線基本上輻射穿過它們的部分電磁能。這就是我們使用電氣絕緣材料的原因之一。但通常當我們談論天線輻射電磁能時，我們實際上指的是一種非常特殊的輻射類型——有用的電磁輻射。

2020 年，有用的電磁輻射只是一種以標準(FCC、ETSI 等)允許的頻率振蕩的電磁波，并且具有足夠的功率穿越應用的目標范圍。例如，藍牙天線必須能夠發(fā)射/輻射數(shù)十毫瓦的電磁波，可以穿越幾米的空間。我們很快就會回到這個例子。現(xiàn)在，讓我們將注意力集中在天線作為具有一定頻率和輸出功率的能量轉換器上。

為了消除能量變壓器一詞的歧義，讓我們看一個熟悉的例子：以一種形式吸收電能并以稍微不同的形式傳輸電能的電力變壓器。它改變電信號的電壓與電流之比。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)。變壓器的一個常見例子是我們在高中時學習過的雙繞組變壓器，它至今仍在電網(wǎng)中使用。發(fā)電廠產(chǎn)生非常高電流和低電壓的電信號。為了以最小的損耗將該信號“傳輸”數(shù)百英里，我們使用變壓器來增加波阻抗;換句話說，增加電壓并減少電流。較小的電流可以通過較長的電線，且損耗較少。

從純粹的電氣意義上來說，天線的作用與變壓器的作用相同。例如，觀察一端連接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離開波導進入自由空間。逐漸開口的喇叭天線基本上是一個能量轉換器，從同軸電纜獲取阻抗為 50 Ω 的導波，并將其轉換為波阻抗為 377 Ω 的自由空間波。

在不使用任何數(shù)學公式的情況下，我們只是陳述了一些有關天線的相關且明顯的內(nèi)容：它們是將導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，與電力變壓器的情況一樣，導波需要這種能量轉換才能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阻抗不同，它就不會在自由空間中傳播。)

波阻抗是電磁波中電能與磁能的比值，因此當我說自由空間的波阻抗為 377 Ω 時，這意味著波要穿過自由空間，需要有其波阻抗為377Ω。我們知道這個數(shù)字是因為我們可以在自由空間中求解麥克斯韋方程組并發(fā)現(xiàn)波阻抗為 377 Ω。或者，我們可以進行實驗來測量自由空間波中電能與磁能的比率，并以令人難以置信的精確度獲得相同的數(shù)字。這是人類歷史上迄今為止最令人印象深刻的科學驗證之一。

我們使用 50 Ω 作為波導內(nèi)部的波阻抗怎么樣?從歷史上看，50 Ω 是微波電路使用的標準數(shù)字(盡管其中一些是 75 Ω 甚至更高)。然而，在現(xiàn)代微波技術(又稱為片上微波電路)中，沒有人再關心這個 50 Ω 的數(shù)字了。那么，這個標準是從哪里來的呢?顯然，同軸電纜設計人員過去能夠在最大功率處理能力和電纜損耗之間找到折衷方案。這個折衷值是 50 Ω，從此成為每個無線工程師都使用的品質(zhì)因數(shù)。

現(xiàn)在，假設您正在嘗試構建一個 SoC，用于感測和處理要無線發(fā)送到網(wǎng)關的水表數(shù)據(jù)。 SoC 內(nèi)存中保存的數(shù)據(jù)表示為 1 和 0，我們可以順序讀取這些數(shù)據(jù)，并準備好發(fā)送所有數(shù)據(jù)。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獲取電磁能并改變其阻抗并將其發(fā)送到自由空間。我們是否只在天線上應用 1 和 0?這還能用嗎?

在無線電傳輸?shù)脑缙冢_發(fā)人員能夠通過在天線一端創(chuàng)建開/關鍵控信號并使用另一個位置的另一個接收器讀取信號來成功地將數(shù)據(jù)直接應用到天線。然而，在現(xiàn)代射頻工程中，由于多種原因，我們無法直接應用。首先，1 和 0 發(fā)生在微控制器單元 (MCU) 的頻率上，通常為數(shù)十 MHz。天線需要大約 15 米長才能有效地將 10 MHz 50 Ω 導波轉換為 377 Ω。對于我們現(xiàn)代的任何電子產(chǎn)品來說，這個尺寸都是巨大的。想象一下帶有 15 米天線的智能手機。

那么為什么天線必須那么長呢?為了使天線盡可能高效，它需要在其發(fā)射的波的頻率附近諧振。諧振導致電磁能在天線結構的兩端之間保持振蕩，從而將盡可能多的能量保留在結構上，而不是將其反射回源。這種保留可以實現(xiàn)更多的輻射功率。然而，諧振要求天線尺寸等于傳播波波長的一半。本質(zhì)上，用于這種直接應用的有用天線的長度與傳播波的波長的數(shù)量級相當。光速、頻率和傳播波的波長之間的關系是光速=波長*頻率，我用它來計算天線的 15 米尺寸。