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射頻微波芯片設計8：淺析自動化設計天線與片上天線

2022-09-13 來源：射頻問問作者：RFIC拋磚哥字號：大中小

《射頻微波芯片設計》專欄適用于具備一定微波基礎知識的高校學生、在職射頻工程師、高校研究所研究人員，通過本系列文章掌握射頻到毫米波的芯片設計流程，設計方法，設計要點以及最新的射頻/毫米波前端芯片工程實現技術。

本文共計四部分

（全文閱讀大概需5分鐘，希望對您都開卷有益）

1.前言——討論為啥要了解天線

2.基本概念——討論常見的天線概念

3.自動化設計——介紹主流軟件中的自動化設計工具

4.片上天線概述——介紹片上天線的機遇，挑戰，常見形式

前言

天線（Antenna, AT）通常用于無線電子系統的收發前端，如我們在之前的博文《1.3萬字詳解射頻微波芯片設計基礎知…）》中提到的射頻接收機、發射機，天線總是把守著無線系統的第一關口，大有一夫當關萬夫莫開的氣勢，沒有它我們將無從談起無線電子系統。因此，對于射頻工程師而言，你或許可以不懂天線的具體設計，但是稍加了解它的基本原理和指標，筆者認為還是有必要的，這篇文章主要也就是拋磚引玉，和大家一起溫顧一下天線基本知識。

其實在國內，學術界、工業界對天線的底層工作機理，物理實現和工程應用已經展開了大量的研究，時至今日，在IEEE TAP等國際期刊上面可以看到很多國內同仁們的科研的身影，比如超大規模的平板陣列天線，比如電磁混合傳播模式的偶極子天線，比如各種模式的基片集成波導天線，再比如消費電子里面的終端天線等等。在之前的博客主微波天線工程師，同時也是《學個Antenna》的專欄作者，在《天線設計該如何入門》一文中給大家介紹了各種生活中的天線以及如何做好天線，博客主94巨蟹座少年在上一期《口徑天線原理和效率及矩形波導仿真》也聊到了天線的基本分類和口徑效率的計算，大家有時間可以鏈接（點擊上文中的淺藍色文字即可）過去看看。

當然在天線設計領域，也有一些“中國夢”天線，當看到第一個漢字天線還覺得挺好玩的，但接著看到一系列的漢字天線的出現，作為大聰明的你，是不是就可以輕松地發現了一串“財富密碼”——中國還有十萬多個漢字呢~哈哈，今年川渝地區要是有這么多水，想必也就不會被限電了吧，，，hxd就問你，沖不沖？？

圖片來源：IEEE Access以及國家專利網

好啦，咋門言歸正傳，今天這篇推文還是老規矩——拋磚引玉，主要目的還是讓大家明白天線的重要性，了解天線的基本工作原理，基本指標以及片上天線的一些基本概念。

基本概念

其實這部分的內容，我還在考慮要不要加入到本期博文中，因為一般來說大家看到基本概念都快速劃過手機，哈哈，而且更進一步的是，在之前幾期博文的博客主已經對天線的概念多次提及了，比如張躍平教授在之前一期中寫到的《微帶天線簡史》中較為詳細地討論了微帶天線的基本概念，再比如博客主94巨蟹座少年在《淺談陣列天線及布陣》基于均勻直線陣詳細討論了陣列天線陣元數目、陣因子與方向性的關系，還有很多微波射頻網的好文章大家下來可以翻看翻看。

本篇博文也只是拋磚引玉，那么在基礎概念這部分我們主要討論一下幾個問題，更多姿勢大家下來自行學習哦：

（1）什么是天線？

天線，字面意思就是在“天”中接一根“線”，假設“天=空氣”，“線=導體”，那么可以這么說，天線這玩意兒就是把空氣（當然老爺們要是想要專業嚴格一點，也可以說成是能傳播電磁波的自由空間）中的電磁波轉換成電路里面的信號，或者把電路里面的信號轉換成空氣中的電磁波的一個裝置。

（2）常見的天類型有哪些？

剛剛我們聊到了，天線就是一個轉換裝置，博客主94巨蟹座少年在上一期《口徑天線原理和效率及矩形波導仿真》也聊到了按照結構形式分為兩大類：線天線和尺寸遠大于工作頻率對應波長的口徑面天線。

P可以根據天線工作波長與其結構尺寸是否比擬可以分為：電大太小和電小天。電大天線，一般而言就是指天線有效面積遠大于（其實也沒有特別嚴格的一個界定，一般物理尺寸/波長大于2？？，大家可以留言討論）其工作波長，我們常見的各種“鍋蓋天線”，在我國貴州“FAST天眼”啥的便可以歸到這里面，相應的電小天線主要就是指天線有效面積遠小于其工作波長（L / λ <= 1/(2*PI)？？），我們常常見到的終端（手機，路由器，遙控器）天線就是電小天線。

P也可以根據天線的工作類型分類：藍牙天線、手機天線、車載天線、衛星天線……

P還可以根據天線的極化方式分類：線極化、左旋/右旋圓極化、橢圓極化……

P自然地，還可以根據天線的工作原理分類：微帶天線、八木天線、偶極子天線…..

當然這幾年大家聊得比較多的AiP ，AoC在后續的文章中我們也將會聊到。

3）如何衡量天線的好壞？

天線作為射頻領域的一個標志性器件，其性能的優劣自然也可以通過一些電性能參數來表針，在不同的應用場景所關注的指標側重點會有所不同，比如有的系統重視的是天線的體積，有的是關注的增益，有的是考查的是帶寬等等，總體而言我們會考慮到天線的：工作帶寬，極化方式，增益，波瓣寬度，效率，體積，重量，接口類型，成本等等。

自動化設計天線

本小節主要是為想要入門天線設計的小白或者天線行業的摸魚大王準備的，我們主要聊一聊如何基于仿真軟件快速設計一個性能還湊合的天線。需要注意的是，本文所謂自動化設計天線，不是學術界所謂的XXX深度機器學習的XXX優化算法的XXX天線設計，也不是基于腳本語言通過代碼來實現天線建模，而是基于現有的商業電磁仿真軟件自帶的一些插件來實現常規天線的快速建模與仿真，天線大佬們完全可以忽略本小節，直接進入后面的小節觀看閱讀，以免本小節辣到眼睛。

基于HFSS 的ADK設計天線：

其實早在N多年前，筆者有幸玩過一段時間基于HFSS的 ADK來進行天線設計，那個時候筆者還在用HFSS13，當時的ADK長這樣的：

由上圖可知，該ADK可以完成單極子天線、偶極子天線、貼片天線、喇叭天線、平面螺旋天線、Vivaldi天線、PIFA等等天線的自動化設計。其設計步驟十分簡單粗暴，摸魚專用：

選中咱們想要設計的天線類型；
輸入天線的工作頻率等參數；
運行插件，自動調用hfss建模；
在hfss中仿真，微調，得到最終想要的結果

該過程，省去了咱們各種建模、調試的工作量，十分好用。本來想現在裝一個adk來玩玩，但是發現高版本的ANSYS hfss已經不沒有適配的adk了，但是萬幸的是，ANSYS居然把自動化設計天線的功能集成進來了，本文就以ANSYS hfss22版本為例，如下圖所示（如果讀者老爺們的hfss版本在17以上的話，那么界面應該都差不多的）：

首先，我們在View菜單欄把ACT Extension勾選上
然后，在出現的ACT 界面點擊Launch Wizards
接著，選中HFSS Antenna ToolKit

(4)最后，根據自己需要選中想要設計的天線類型，設置好相應的工作頻率，最后點擊Finish，HFSS將會自動設計好相應的天線：

圖形用戶界面, 圖表描述已自動生成

好了，HFSS自帶的ACT還有很多好玩的功能，大家下來可以進群討論，一起愉快地玩耍起來~

基于CST 的Antenna Magus設計天線：

目前設計天線比較主流的軟件怎么能少了CST呢，哈哈，同樣的，為了讓大家快速上手天線設計，本篇博文繼續教大家怎么利用CST愉快高效地摸魚設計。其實CST 的Antenna Magus主要還是用于咱門的陣列天線設計，當然里面也集成了N多的陣元天線，其具體設計和在HFSS中的那個ACT大同小異，先選中天線類型，然后輸入指標，直接快速綜合出天線的相關尺寸，導出為CST模型，最后在CST中完成仿真。

當然Antenna Magus比較好用的一個功能就是用來設計陣列天線，大家感興趣的可以下來摸索摸索：

好了，快速設計天線的懶人方法就到此為止，希望大家謹慎使用，不要走火入魔。其實天線與我們上一期《詳解基于ADS的低噪聲放大器芯片設計…》中聊到的低噪聲放大器設計一樣，天線設計也有著完備的理論體系，大家下來如果想要進一步提高，還是得深入研究其工作機理，這樣才能設計出性能較好的天線。

大家有什么想討論的，也可加群來交流（先加文末微波射頻網小編他好友，他會拉大家伙進群），后面的小節主要圍繞片上天線展開討論。

片上天線概述

我開始本想把這部分單獨出一期的，但是如果這樣安排，那么本期內容就成了給大家演示如何懶人設計天線了，簡直不要太罪過，哈哈，因此為了不浪費大家點擊進來的寶貴的幾分鐘時間，這里主要給大家伙分享一些片上天線的基本概念，希望對大家有用。

在聊片上天線之前，我們先聊聊天線的發展簡史，當然之前張躍平教授也聊到了《微帶天線簡史》，而片上天線的發展歷史很短（大約是2000年開始，才逐漸被大家所研究），為了稍微完備一些，我這里還是把天線的發展歷程簡單地捋一捋，總結羅列下，大家也可以辯證地吸收（每個時期都會有標志性的一些天線出現，但是并不代表在這之前的天線就落伍了，就比如微帶天線雖然出現的挺早，但時至今日依然可以隨處可見其身影）：

早在1873年，咱們的電磁先驅麥克斯韋老同志，搞定了著名的電場與磁場相互轉換關系的數學方程，這就給天線設計提供了最為基礎的理論。后來在1886年，有個叫赫茲的老小伙子，可能疫情期間在家無聊，天天鼓搗棒棒棍棍啥的，結果一不小心發現了工作中的導體可以發射神奇的電磁波，就此，平凡而又偉大的天線正式粉墨登場！！！

后來陸陸續續有很多研究者把近距離傳輸的天線傳播實驗拓展到了穿越大西洋之類的超遠距離傳輸，1901年馬克尼使用800KHz中波信號進行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波的通信試驗，開創了人類無線通信的新紀元，到了在上世紀30年代，很多我們耳熟能詳的類似于導體的天線逐漸被大家所運用，比如TV/FM/VHF天線。

在后來，隨著第二次世界大戰的爆發，大家伙也知道的，作為戰場的千里眼，天線扮演著舉重輕重的作用，此時研發人員開始不再走之前基于導線或其變形的天線之路，在上世紀50年代，在天線行業可謂是百家爭鳴，比如喇叭天線、八木天線、偶極子天線、對數周期偶極子天線等等都在此時橫空出世，大展拳腳。

到了上世紀60s、70s年代，隨著衛星通訊的發展，此時又演變出來了很多目前依舊隨處可見的天線形式，比如“鍋蓋”（卡塞格倫）天線、低剖面的微帶天線等等；

到了上世紀80s年代，隨著手機的問世，此時對天線的設計挑戰主要就是：如何在滿足性能的同時可以把天線做小，這時諸如倒L天線、倒F天線、平面倒F天線、陶瓷天線等陸陸續續出現在人們的視野之中，當然這類天線在當前的手機、藍牙、wifi的終端里面，依舊是主力軍。

時至今日，很多傳統的天線結構依舊是我們的研究熱點，隨著智能設備，物聯網，5G/6G通訊技術的發展，目前對天線的設計也將逐漸朝著更小更好的方向發展，目前有手機金屬環天線、無線充電的近場天線、人工電磁材料（復核左右手？？）的天線大家還是比較關注的，除此之外，在小型化方面，陶瓷天線、AiP（封裝天線）、AoC（片上天線）也是大家持續關注的一個方向。

片上天線的基本概念：

如今隨著半導體工藝的不斷發展，人們越來越想把電子系統做到盡可能地小，但在傳統的電子系統中，天線似乎是一個超級占面積的存在，為了在終端設備商盡可能地縮小天線的面積，在上一期張躍平教授提到的AiP方案，即將天線封裝好，倒扣在芯片之上似乎是一個不錯的選擇，那么有沒有可能，直接在芯片內部設計天線的方式呢？答案是肯定的，所謂片上天線，無外乎就是把天線設計在芯片內部。