天线的演化及物理原理

几十年来，天线和微波工程这两门学科都有着千丝万缕的联系，却又相当独立。二者都具有高度专业性和复杂度，任何一方的专家都不会质疑另一方的专业学识。微波工程师主要关注如何通过各种有源（放大器、振荡器、有源调谐器等）和无源（滤波器、耦合器、分离器等）器件来调节无线电波，而天线工程师则一直在研究采用愈发复杂的基于分形及相关天线几何架构来自由操纵电波的创新方法。不过，随着“无天线”技术的引入，这种划分可能会发生根本的改变。相比于传统天线工程，这种技术使得天线设计与滤波器设计变得更加相似。

无天线技术的原理是使用一种名为天线增强器的现成标准化微型部件，来替代复杂的定制化天线设计。天线增强器本身即为芯片状，采取表面贴装，从而能够像其它电子元件（如微处理器、存储器、放大器、滤波器或开关）一样完美契合印制电路板。它还能与传统贴片机相结合，使得下一代IoT/移动或无线设备的设计和制造过程更加简单、快速且高效。

对天线和微波工程师而言，微型贴片天线已经问世几十年了，那么这些新兴的天线增强器又有何与众不同之处值得关注呢？一大革新点在于它们的多频带能力。传统的微型贴片天线采用高介电常数陶瓷材料，对于窄带单频应用（如蓝牙和GPS）而言性能尚可。单个新型无天线增强器在宽频段（如698至2690MHz）上都可实现完整的移动性能。此外，它们由传统的低成本材料（如环氧玻璃基板或塑料印模组件）制成，使得这种现成的部件能够低价批量生产。

图1描绘了无天线技术为新一代移动/IoT设备带来的根本变化。从早年的板砖手机中短粗的外置单极/偶极天线到最新的天线增强器，天线技术总是在朝减小组件尺寸的同时增加频带数量这一方向发展，经历了巨大的进步。

图1：天线的演化：从外接单频天线到微型天线增强器。

天线工程师们对于增加频带数量以及减小天线尺寸的挑战有句口头禅：“尺寸波长一换一。”尽管天线技术一直在进步，不断产生更复杂的形状来满足小空间的多频带需求，然而到了2008至2012年间，似乎遇到了技术瓶颈，天线尺寸无论如何也不能再进一步缩小了。毕竟，Chu和Wheeler在二十世纪四十年代提出的基本限制条件就是：任何比工作波长小的器件（如≤λ/10），它的辐射情况都会受到影响，极端情况下甚至不会产生辐射。那么，这些远低于此限制条件（常为工作波长的1/30或1/50）的小型天线增强器又该如何在移动频率下达到全辐射呢？它们又是如何同时在多个移动/无线波长间实现全辐射的呢？