了解天线设计和匹配网络

当谈到现实世界中的实际天线时，我们的大部分知识都是经验性的。我们知道非常广泛的理论，这些理论解释了点电荷如何辐射(麦克斯韦方程组)、匹配的必要性(微波理论)以及画在纸上的偶极子天线如何以它们的方式辐射，但这些定律在解决实际问题时几乎没有用处。天线设计的世界难题。通过分享我对无线电子产品在物理层面如何工作的直觉，我希望有助于形成对天线设计和匹配网络的广泛理解，并强调最佳实践和来之不易的智慧的价值。

以下内容绝不是对天线和匹配网络如何工作的可靠理论解释。首先，我们没有大多数天线的封闭式辐射方程。其次，即使我们确实有一些天线的方程，数学也非常复杂且难以理解。天线设计是一个经验实践比理论知识发展得更快的领域。考虑到这些能源变压器的复杂性，这可能是可以理解的。

无线电子产品中还存在许多物理(硬件)和非物理(软件)层。工程师往往只能了解其中的部分内容，尤其是当他们的工作像设计匹配网络或相控阵天线一样具体时。我打算做的是以非相对论速度振荡的辐射点电荷的点连接到蓝牙通信通道，将水表读数传送到网关

我们最熟悉的是单极天线，因为它曾经是电视广播接收的主流天线，也是第一代手机甚至玩具的主流天线。一些资深的模拟和无线工程师也会认识到 20 世纪 90 年代末电视接收器一直占据我们屋顶的八木宇田天线。出于经济和机械原因，当今无线电子产品中最常见的天线是微带贴片天线。然而，(在我看来)最容易解释的天线是喇叭天线。也就是说，我将在喇叭天线上说明的概念适用于其他类型的天线。只需多一点想象力和对电磁学的理解，就能从同样的角度看待它们。

天线是能量转换器。它从一侧接收引导电磁波，并在另一侧辐射自由空间球面波。每根电线都在一定程度上做到了这一点;电线基本上辐射穿过它们的部分电磁能。这就是我们使用电气绝缘材料的原因之一。但通常当我们谈论天线辐射电磁能时，我们实际上指的是一种非常特殊的辐射类型——有用的电磁辐射。

2020 年，有用的电磁辐射只是一种以标准(FCC、ETSI 等)允许的频率振荡的电磁波，并且具有足够的功率穿越应用的目标范围。例如，蓝牙天线必须能够发射/辐射数十毫瓦的电磁波，可以穿越几米的空间。我们很快就会回到这个例子。现在，让我们将注意力集中在天线作为具有一定频率和输出功率的能量转换器上。

为了消除能量变压器一词的歧义，让我们看一个熟悉的例子：以一种形式吸收电能并以稍微不同的形式传输电能的电力变压器。它改变电信号的电压与电流之比。换句话说，它改变了电信号的波阻抗(根据欧姆定律，电压/电流=阻抗)。变压器的一个常见例子是我们在高中时学习过的双绕组变压器，它至今仍在电网中使用。发电厂产生非常高电流和低电压的电信号。为了以最小的损耗将该信号“传输”数百英里，我们使用变压器来增加波阻抗;换句话说，增加电压并减少电流。较小的电流可以通过较长的电线，且损耗较少。

从纯粹的电气意义上来说，天线的作用与变压器的作用相同。例如，观察一端连接有喇叭天线的矩形波导，我们可以看到天线如何准备电磁波以离开波导进入自由空间。逐渐开口的喇叭天线基本上是一个能量转换器，从同轴电缆获取阻抗为 50 Ω 的导波，并将其转换为波阻抗为 377 Ω 的自由空间波。

在不使用任何数学公式的情况下，我们只是陈述了一些有关天线的相关且明显的内容：它们是将导波与自由空间波相匹配的匹配元件。为什么这种匹配很重要?因为，与电力变压器的情况一样，导波需要这种能量转换才能以最小的损耗穿过自由空间。 (如果电磁波的波阻抗与自由空间阻抗不同，它就不会在自由空间中传播。)

波阻抗是电磁波中电能与磁能的比值，因此当我说自由空间的波阻抗为 377 Ω 时，这意味着波要穿过自由空间，需要有其波阻抗为377Ω。我们知道这个数字是因为我们可以在自由空间中求解麦克斯韦方程组并发现波阻抗为 377 Ω。或者，我们可以进行实验来测量自由空间波中电能与磁能的比率，并以令人难以置信的精确度获得相同的数字。这是人类历史上迄今为止最令人印象深刻的科学验证之一。

我们使用 50 Ω 作为波导内部的波阻抗怎么样?从历史上看，50 Ω 是微波电路使用的标准数字(尽管其中一些是 75 Ω 甚至更高)。然而，在现代微波技术(又称为片上微波电路)中，没有人再关心这个 50 Ω 的数字了。那么，这个标准是从哪里来的呢?显然，同轴电缆设计人员过去能够在最大功率处理能力和电缆损耗之间找到折衷方案。这个折衷值是 50 Ω，从此成为每个无线工程师都使用的品质因数。

现在，假设您正在尝试构建一个 SoC，用于感测和处理要无线发送到网关的水表数据。 SoC 内存中保存的数据表示为 1 和 0，我们可以顺序读取这些数据，并准备好发送所有数据。我们还有一个称为天线的能量转换器。我们知道它可以从电线中获取电磁能并改变其阻抗并将其发送到自由空间。我们是否只在天线上应用 1 和 0?这还能用吗?

在无线电传输的早期，开发人员能够通过在天线一端创建开/关键控信号并使用另一个位置的另一个接收器读取信号来成功地将数据直接应用到天线。然而，在现代射频工程中，由于多种原因，我们无法直接应用。首先，1 和 0 发生在微控制器单元 (MCU) 的频率上，通常为数十 MHz。天线需要大约 15 米长才能有效地将 10 MHz 50 Ω 导波转换为 377 Ω。对于我们现代的任何电子产品来说，这个尺寸都是巨大的。想象一下带有 15 米天线的智能手机。

那么为什么天线必须那么长呢?为了使天线尽可能高效，它需要在其发射的波的频率附近谐振。谐振导致电磁能在天线结构的两端之间保持振荡，从而将尽可能多的能量保留在结构上，而不是将其反射回源。这种保留可以实现更多的辐射功率。然而，谐振要求天线尺寸等于传播波波长的一半。本质上，用于这种直接应用的有用天线的长度与传播波的波长的数量级相当。光速、频率和传播波的波长之间的关系是光速=波长*频率，我用它来计算天线的 15 米尺寸。