學個Antenna是以天線仿真和調試為主，理論原理為輔的干貨天線技術專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

天線設計的專業壁壘相對較高，需要一定理論儲備和調試經驗，翻看一本天線工程手冊后你就會發現，這是個大學問。有網友刻畫自己過著左手割銅皮、右手握烙鐵風槍，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。那么天線設計該如何入門呢？

生活中的天線

天線在日常生活中應用比較廣泛，只要有無線通訊的需求，天線就必不可少。比如手機里的FPC天線（中低端機型）和中框天線（高端機型必配）：

接著就是上網必備的路由器了，看這機身一圈桿狀天線，咱也不敢說咱也不敢問，問就是信號滿格。言歸正傳，增益的提升確實會彌補遠距離下信號差所引起的吞吐率降低，但是機身就這么大，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，將不同天線的多路信號進行加權合成處理，能改善信噪比，為系統提供了額外的信道增益。從一定程度上來說，增加天線的數量可以提高覆蓋范圍、信號強度、穿墻能力等。不過話說回來，盲目增加天線個數，可能加大天線之間的耦合度，適得其反。

然后就是“學歷越低輻射越大”的基站上的基站天線了，沒有它，大家出門通信都成問題。

除此之外，藍牙耳機、無線鼠標、USB無線網卡、航拍無人機等電子消費品里都離不開天線。

相信看到這里，大家對天線在日常生活中扮演的角色應該有一定的認知了，不過有人可能也會疑惑，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）技術是過去近 20 年來為適應系統級無線芯片出現所發展起來的天線解決方案。例如通過陶瓷共燒的方式，將天線的金屬導體根據設計需要印制在多層陶瓷介質層上，這樣一來就有效的縮小了天線尺寸，還能達到隱藏天線的目的。

雖然其占用空間很小，如下是一個工作在LTE全網通頻段的封裝天線（圖源來自于知乎@CrossAir貼片天線），其尺寸僅有23mm×3.5mm×1.6mm。

但是其阻抗帶寬窄，比較難在多頻段達到良好的性能。根據下圖的測試結果可以看出，該封裝天線在LTE中高頻時的VSWR保持在2~3之間，部分頻段大于3，而且帶內平均增益低于0.5dBi。

有人可能會覺得中高頻的增益雖然不高，但是帶內平均效率和峰值效率都在40%~50%，手機天線看了都直呼內行。但這其中忽略了一點，就是手機天線是考慮了整機損耗的。

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，且應用到產品時，外殼或天線罩也會對天線的性能造成影響，導致其應用的靈活性不高。這在一定程度上也限制了封裝天線的廣泛應用。

天線的獨特性

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管，進行穩定性分析，外圍匹配設計等。隨著科技的發展，現在整個收發機都可被集成到單芯片內，而且體積小，性能好，關鍵是還便宜。

?下圖是工作頻段57 - 64 GHz的毫米波發射雙工器HMC6000LP711E。閱讀其產品手冊，我們可以發現，芯片的表貼尺寸只有為7x11mm，但集成了7.5dB增益的單天線并實現了23.5dBm的EIRP性能，麻雀雖小五臟俱全。

?

 

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性化的需求。像汽車上常用的毫米波雷達則需要高增益天線，因此把天線拿出來單獨給塊凈空進行開發設計是很有必要的。

?除此之外，車載毫米波雷達的探測距離和FOV需要進行權衡設計。對于遠距離前向探測，要求可探測距離較遠，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的目標，因此寬波束低增益即可滿足實際需求。

?如下圖所示，通過切換兩幅天線分時工作，可以分別實現遠距離小角度和近距離大角度的FOV進行覆蓋。

但是上述方法需要額外增加發射通道，為了實現單通道發射天線對不同探測距離擁有不同探測視場角的需求。可以參考陣列天線的賦形波束綜合(一)，陣列天線的賦形波束綜合(二)，優化各功分各饋電網絡通道對單列串饋天線提供的激勵幅度和相位，通過波束賦形綜合所需要的方向圖（子陣數量較少時，賦形效果不一定能滿足需求）。除此之外，合理優化子陣間的距離和饋電相差也可以達到此效果（如下圖所示），從而降低雷達硬件成本。

?上述例子都說明了天線在實際應用中，需要根據產品和需求進行新方案的研發設計。在天線工程師的“飯碗”要被搶了？一文中，CST的Antenna Magus可以一鍵設計常用天線。除此之外，Ansys HFSS的ACT Extension也集成了Antenna Toolkit。那么天線設計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，但是沒有考慮結構，尺寸，天線罩的影響，而且軟件生成的大多數模型參數并不是能直接用來投板加工。即使天線工程師依據于電磁仿真軟件進行建模、優化的天線，其加工實物來也會與仿真有一定偏差，這個修正工作也是需要有經驗的開發人員參與的。

天線設計的基礎

對于科班出身的學生來說，本科階段往往要學好多專業課。以某高校電磁場與無線技術專業為例，其本科階段主修課程為：電路分析基礎、模擬電路基礎、數字邏輯設計及應用、電磁場理論、微型計算機原理及接口技術、微波技術基礎、電波傳播、天線原理與設計、數字信號處理、隨機信號分析、微波網絡、通信技術與系統等。

其中電磁場理論、微波技術基礎和天線原理與設計是作為一個科班出身的天線工程師所必須掌握的專業課。有人調侃自己學習時學到禿頭，工作時90%內容用不到，這個話確實很真。畢竟做工程用不到波動方程，格林函數。不是每個人都要推公式去做學術的，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根據自己需求大致學習一遍是很有必要的。但這只是第一步，如果你想做陣列天線，基站天線等，還得找相關理論書籍進行學習。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MATLAB或者Python則更是錦上添花。

在從事天線設計這個行業里，你會發現你懂的越來越多，但不懂的也越來越多。當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天線，而現在天線的種類和變形方案浩如煙海，個人窮極一生也難以學完。但萬變不離其宗，我們可以在學習的過程中積累思辨能力，往往能達到觸類旁通的效果。

行業現狀

最后也探討這個行業的現狀：天線設計的找工作難度倒是沒有那么大，不過大部分集中在消費電子領域。而且大部分公司的業務范圍不廣，也不會讓你啥天線都做。如果想在職業上獲得成就感，可能還是得向內索取，畢竟產品為王，懂得人都懂。

不過相對而言，小公司養天線電磁這塊的人，顯得雞肋，還不如外包。大公司吧，又不是很重視，尤其手機通信廠商，技術含量說高也高，說不高也不高，不懂的人看來，你就不是個材料上貼點銅的東西嘛，有啥難度？所以在公司的地位也不高。（知乎上某自嘲的網友評論）

雖然天線設計的專業性強，行業壁壘高，但就業面相對較窄（不是勸退哈）。除了研究所和一線沿海城市的高科技企業外，要是想回內地省份，老家二三線的城市找到一份天線設計的工作，確實無門。

寫到這里其實就想表達：天線設計這行由于從業人數遠小于IT互聯網（畢竟高校要開設電磁場與無線技術之類專業，還是需要一定門檻的），因此內卷較小，不過大部分從業人員的酬勞也沒法和互聯網那種跳幾跳base就double相比。

和程序員一樣，底層的碼農（對應初級天線工程師，拿到模型調參數）不稀缺，但是做算法和架構（對應天線方案布局設計）確實需要在理論和實踐上有一定造詣。一個高級天線工程師往往需要經過大量工程項目的錘煉并不斷總結設計經驗，在看到需求指標后腦海中就可以浮想出好幾套天線方案，并且根據結構尺寸，預估成本，工作環境和重量要求等快速鎖定方案，這是需要一定時間和閱歷去積累的。希望各位同行都可以往這個目標去收斂！

作者：94巨蟹座少年

大家持續關注“微波射頻網”，后續精彩不斷~

本文為MWRF.NET原創文章，未經允許不得轉載，如需轉載請聯系market#mwrf.net(#換成@)

--END--