调制就是在高频可传输信号的信息中编码低频信号

下面的内容并不是要对天线和匹配网络如何工作来进行扎实的理论解释。我们知道非常著名的解释点电荷如何辐射的理论（麦克斯韦方程）、解释匹配必要性的理论（微波理论）和以纸面绘制的方式解释偶极子天线如何按其工作方式进行辐射的理论。但是，当涉及现实世界中的实际天线时，我们的许多知识都是经验性的。首先，对于大多数天线，我们没有封闭式的辐射方程。

其次，即使我们对某些天线进行方程式求解，数学运算也非常复杂且难以理解。天线设计是一个经验实践的进展比理论知识快得多的领域。考虑到这些能量转换器的复杂性，这是可以理解的。因此，很难说有人可以制定天线工作原理的所有基本定律。即使成功做到了这一点，这些定律在解决天线设计的实际问题时几乎也是没有用的。

Silicon Labs（亦称“芯科科技”）物联网无线解决方案设计工程师Asem Elshimi将分享自己对于无线电子在物理层上如何工作的直觉认知。无线电子设备中有许多物理（硬件）和非物理（软件）层，工程师通常倾向于理解其中的部分内容，尤其是当他们的工作是具体到设计一个匹配网络或相控阵天线时。我做的是将这些知识点串连起来 —— 从以非相对论速度振荡的辐射点电荷到将水表读数传输至网关的蓝牙通信信道。对于射频工程的新手来说，希望本文在塑造对天线设计和匹配网络的广泛理解方面可以有所助益。而对于无线专家，则希望强调最佳实践的价值和来之不易的智慧。

图1显示了一些常见的天线设计。我们最熟悉的是单极天线，因为它曾经是电视广播接收以及第一代移动电话甚至玩具的主流天线。一些长期从事模拟和无线工作的工程师会认出八木天线（Yagi-Udaantenna），因为它一直作为我们屋顶上的电视接收器天线，直到20世纪90年代末。出于经济和机械方面的原因，当今的无线电子设备中最常见的天线是微带贴片天线。对我来说，最容易解释的天线是喇叭天线。话虽如此，但是我基于喇叭天线所阐释的概念也适用于其他类型的天线。只需多一点点对电磁学的想象和理解，就可以同样的视角看待它们。

图1 天线设计示例

天线是一个能量转换器。它从一侧接收导行电磁波，从另一侧辐射自由空间球面波。每根电线都可以在一定程度上做到这一点；因为电线基本上都会辐射一部分穿过它的电磁能量。这就是我们使用电绝缘的原因之一。但是，当我们谈论辐射电磁能量的天线时，实际上是指一种非常特殊的辐射类型 —— 有用的电磁辐射。在2020年，有用的电磁辐射就是指这样一种电磁波：它以标准（FCC、ETSI等）允许的频率振荡，并且具有足够的功率去穿越应用的目标范围。例如，蓝牙天线必须能够发送/辐射数十毫瓦的电磁波，该电磁波可以穿越几米的空间。我们将很快再回到这个例子。现在，让我们先将注意力集中在天线作为具有特定频率和输出功率的能量转换器这一点上。

为了消除关于能量转换器这一术语的歧义，我们來看个熟悉的示例：以一种形式接收电能并以略有不同的形式传输电能的电力变压器。它将电压转换为电信号的电流比。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）。变压器的常见示例是我们在高中都学习过的双绕组变压器，它如今仍在电网中使用（见图2）。发电厂会产生具有非常高电流和低电压的电信号。为了以最小的损耗跨越数百英里来“传输”此信号，我们使用了变压器来增加波阻抗；换句话说，要增加电压并减小电流。较小的电流可以流经较长的导线，且损耗更少。

图2 （左）电力变压器；（右）整个变压器的能量转换示意图

从纯粹的电气意义上讲，天线就像变压器一样。喇叭天线的作用与变压器非常相似。观察一个在其末端装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使其离开波导朝自由空间射出（见图3）喇叭天线这种逐渐打开的形式基本上就是能量转换器，它从同轴电缆接收阻抗为50欧姆的导行波，并将其转换成阻抗为377欧姆的自由空间波。在不使用任何数学公式的情况下，我们仅对天线做一些相关且显而易见的说明：它们是将导行波与自由空间波相匹配的匹配组件。为什么这种匹配很重要？因为和电力变压器的案例一样，导行波也需要这种能量转换，以便能够以最小的损耗穿越自由空间。（如果电磁波的波阻抗不同于自由空间阻抗，那么它根本不会在自由空间中传播。）

图3 喇叭天线中的电磁能量转换示意图

什么是波阻抗？它是电磁波中电能与磁能之比。自由空间的波阻抗为377欧姆是什么意思？这意味着，要使波穿过自由空间，它的波阻抗必须为377欧姆。这个数值是怎么来的？我们可以在自由空间中求解麦克斯韦方程，发现波阻抗为377欧姆。另外，可以进行实验来测量自由空间波中的电能与磁能之比，并以令人难以置信的精确度得到相同的数值。这是迄今为止人类历史上最令人印象深刻的科学验证之一。那50欧姆呢？为什么波导内的波阻抗为50欧姆？这是个很好的问题。从历史上看，50欧姆是微波电路的标准数值（尽管其中一些微波电路是75欧姆甚至更高）。然而在现代微波技术，即片上微波电路中，没有人再在乎这个50欧姆的数字了。这个标准从何而来？显然，这是过去同轴电缆设计人员能够在最大功率容量和电缆损耗之间找到的折衷（见图4）。这个折衷的数值就是50欧姆，自那以后它成为每个无线工程师都在使用的品质因数。

图4 50欧姆是最大功率容量与同轴电缆损耗之间的折衷

现在，我们正在尝试构建一个SoC，以感测和处理将要通过无线方式发送到网关的水表数据。SoC存储器中保存的数据被表示为1和0。存储器中的开关有些为OFF，有些为ON。ON代表数字1，OFF代表数字0。我们可以依序读取它们，然后准备好要发送的所有数据。我们还有一个称为天线的能量转换器。我们知道，它可以从电线中接收电磁能并改变其阻抗，然后将其发送到自由空间中。我们是否可以仅仅将这些1和0直接应用于天线？那行得通吗？

在无线电传输的早期，开发人员能够成功地做到这一点，方法是在天线的一端创建“开/关”键控信号，然后在另一位置的接收器上读取该信号。然而，在现代射频工程中，由于许多原因，我们无法实现这种情况。首先，这些1和0以微控制器（MCU）的频率产生，通常为几十MHz。天线需要大约15米长，才能将10 MHz的50欧姆导行波有效地转换为377欧姆。这个尺寸对于当今的任何电子设备来说都是巨大的 —— 想象一下带有15米天线的智能手机。那么，为什么天线必须这么长呢？为了使天线尽可能高效，就需要它在发射波的频率附近谐振。谐振可以使电磁能在天线结构的两端之间保持振荡。因此，可以在结构上保留尽可能多的能量，而不是将其反射回源端，从而可实现更大的辐射功率。谐振要求天线尺寸等于传播波波长的一半。因此，从本质上讲，对于这种直接应用而言，有用的天线的长度应该处于传播波波长的数量级上。光速、频率和传播波波长之间的关系是：光速 = 波长×频率，我使用这种关系计算出天线的尺寸为15米。

要使用更小尺寸的天线，所需要的是更高的信号频率。这是我们对信号进行调制时所做的事情。调制就是将低频信号编码在高频可传输信号的信息中（见图5）。较简单的方法（但不是唯一的方法）是将低频信号乘以高频载波，结果是调幅（AM）信号。是的，就像老式汽车收音机中的AM一样。使用蓝牙时，该载波的频率为2.4 GHz，这将天线尺寸减小到了约2厘米。这是我们不再看到天线的原因之一。它们足够小，因此可以隐藏在我们的电子设备中。好了，现在这整个调制技巧又让我们看到了现代射频工程的另一大优势：共存。

图5 调制就是在高频可传输信号的信息中编码低频信号

当我还是个孩子的时候，对于我的父亲和姐姐同时间用不同移动电话进行通话但不相互干扰感到很困惑。他们怎么可以听不到对方的通话呢？看起来我父亲正在将他的声音发送到这种电磁以太中，但不清楚为什么这些声音数据没有耦合到我姐姐的电话上。事实证明，移动电话和无线电子设备使用了调制来避免此问题。电磁以太或频谱可以分为较小的带宽，在射频工程中我们称之为信道。每当两个蓝牙节点（或任何其他通信标准，但让我们继续以蓝牙为例）尝试创建连接时，它们都会选择一个信道进行通信（见图6）。然后，在此信道关联的载波上调制所有位（那些1和0）。现在，即使附近有另一个蓝牙连接发生，第一个连接也不会受到明显影响，因为两者在频谱空间中是正交的。每个连接位于不同的载波频率上，因此，可以只解调用于该信道的特定载波频率，来解码打算在该连接上传输的信息。

图6 2.4GHz频段中的频率分配

让我们再来研究另一个无线通信的困惑，然后我们就可以着眼大局了。现在，我们有个2.4 GHz调制载波，以及正在尝试通过蓝牙信道传输的信息。同时我们也有个5毫米的微型天线，可以接收50欧姆的波并将其转换为377欧姆的自由空间波。然而，仔细看看我们所拥有的，我们意识到自己仍然需要做更多的工作。我们已经在芯片上准备了2.4 GHz信号，这意味着它是低功率信号。现在是时候将低功率信号转换为高功率了，我们使用功率放大器（PA）来实现。（当然，高和低是相对的说法，这里的低功率意味着几微瓦，而高功率意味着几毫瓦。另一方面，电力电气工程师认为与自己的千瓦信号相比，两者都是噪声。）

既然我们已经探究了天线如何辐射功率的理论动力学，以下就给出一些可以使您的天线设计更有效的实用注意事项：

对完美天线尺寸的需求源于对良好天线增益和覆盖范围的需求，这可能会因目标解决方案而异。举例来说，如果一个蓝牙鼠标在50厘米的范围内以5 kbps（低数据速率）运行，这意味着天线的尺寸是有调整空间的，无线鼠标所需的天线可以比波长的1/2小得多。较小的尺寸意味着天线不再是完美的匹配组件 —— 但是如果应用只需要向空间中辐射一小部分电磁能量，谁又会在乎它呢。

虽然波长的1/2是天线理论上的理想尺寸，但是缩小到波长的1/4以实现更小的外形尺寸往往是可行的。只需在1/4波长的天线下集成一个接地层。基于镜像理论和其他的电磁理论实践，具有接地层的1/4波长天线的表现类似于1/2波长天线。

通常，接地层的设计需要足够宽，并且是连续的。

还必须仔细检查最终产品的塑料外壳。塑料比空气具有更高的介电常数（所以波阻抗会不同）。因此，设计成能完美地向空间中辐射的天线一旦被塑料封装，其性能可能会下降。根据外壳的紧密程度，甚至可能会影响天线的近场动力学，这可能会对性能产生更多不利影响。

密切注意天线馈电。该结构仅负责从设备中接收信号并将其和谐地馈送到天线。馈电直接影响带宽和整体设计的可靠性。

现在我们已经讨论了天线的周边环境，接下来再仔细看看匹配网络。这可能会有些令人困惑，为什么我们还需要进行匹配？匹配实质上就是能量转换。当我们使用功率放大器（PA）创建高能量波时，它具有一定的波阻抗。但是标准天线（以及从芯片到天线的所有连接器和走线）的波阻抗为50欧姆。因此，为了有效地传播能量，需要确保离开PA的波转换为50欧姆。所以我们使用匹配网络来实现这一点。

这里有个匹配网络的流体力学类比：您小时候曾经玩过水管吗？当您挤压水管的开口时，水压会增加，水会喷得更远（见图7）。根据流体力学，质量、截面积和流速之间存在一定的关系，减小水流的截面积可以提高水流的速度。流体力学的截面积类似于电动力学的波阻抗，而匹配网络的作用则与挤压水管的开口非常相似。

挤压水管的开口会导致水喷得更远

这里再以简洁的描述总结一下天线的工作方式。一堆在芯片上不同存储单元之间摆动的电子，可以告诉我们哪些存储单元存储着1，哪些存储着0。然后，我们获取这些摆动的电子，并调制以更高速率（每秒24亿次摆动，即2.4 GHz）摆动的其他电子。我们将功率放大器的输入暴露给以2.4 GHz速率摆动的电子。然后功率放大器将强电磁波注入天线。最终，我们使天线表面上的电子以信道的精确频率摆动，并产生数十毫瓦的自由空间电磁波，该电磁波会在充满许多其他电磁波（其他无线电波和光波以及很多其他波）的整个空间中传播。然后，该电磁波会使接收器天线表面上的电子以相同的频率摆动。所有的摆动电子都在接收器链上跳动，以解码最初编码的1和0的信息。
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