天线设计该如何入门

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

摘要：

天线设计的专业壁垒相对较高，需要一定理论储备和调试经验，翻看一本天线工程手册后你就会发现，这是个大学问。有网友刻画自己过着左手割铜皮、右手握烙铁风枪，双显示器打开论文书籍和HFSS的工作日常，可以说是毫不夸张。那么天线设计该如何入门呢？

生活中的天线

天线在日常生活中应用比较广泛，只要有无线通讯的需求，天线就必不可少。比如手机里的FPC天线（中低端机型）和中框天线（高端机型必配）：

接着就是上网必备的路由器了，看这机身一圈杆状天线，咱也不敢说咱也不敢问，问就是信号满格。言归正传，增益的提升确实会弥补远距离下信号差所引起的吞吐率降低，但是机身就这么大，在固定的口径面积下，即使口径利用率拉满，阵列的总增益也有上限。若采用多天线分集技术，将不同天线的多路信号进行加权合成处理，能改善信噪比，为系统提供了额外的信道增益。从一定程度上来说，增加天线的数量可以提高覆盖范围、信号强度、穿墙能力等。不过话说回来，盲目增加天线个数，可能加大天线之间的耦合度，适得其反。

然后就是“学历越低辐射越大”的基站上的基站天线了，没有它，大家出门通信都成问题。

除此之外，蓝牙耳机、无线鼠标、USB无线网卡、航拍无人机等电子消费品里都离不开天线。

相信看到这里，大家对天线在日常生活中扮演的角色应该有一定的认知了，不过有人可能也会疑惑，为什么上面这几种天线的形状大相径庭，这玩意能像阻容感一样，直接做成封装集成的形式么？

答案是肯定的，封装天线（Antenna-in-Package, AiP）技术是过去近 20 年来为适应系统级无线芯片出现所发展起来的天线解决方案。例如通过陶瓷共烧的方式，将天线的金属导体根据设计需要印制在多层陶瓷介质层上，这样一来就有效的缩小了天线尺寸，还能达到隐藏天线的目的。

虽然其占用空间很小，如下是一个工作在LTE全网通频段的封装天线（图源来自于知乎@CrossAir贴片天线），其尺寸仅有23mm×3.5mm×1.6mm。

但是其阻抗带宽窄，比较难在多频段达到良好的性能。根据下图的测试结果可以看出，该封装天线在LTE中高频时的VSWR保持在2~3之间，部分频段大于3，而且带内平均增益低于0.5dBi。

有人可能会觉得中高频的增益虽然不高，但是带内平均效率和峰值效率都在40%~50%，手机天线看了都直呼内行。但这其中忽略了一点，就是手机天线是考虑了整机损耗的。

除此之外，采用这种封装式的天线，还需按要求在PCB附近留有一定净空，且应用到产品时，外壳或天线罩也会对天线的性能造成影响，导致其应用的灵活性不高。这在一定程度上也限制了封装天线的广泛应用。

天线的独特性

近些年来，射频器件的集成度越来越高。比如说常用的低噪放，如下图所示，一开始需要选择场效应管，进行稳定性分析，外围匹配设计等。随着科技的发展，现在整个收发机都可被集成到单芯片内，而且体积小，性能好，关键是还便宜。

​下图是工作频段57 - 64 GHz的毫米波发射双工器HMC6000LP711E。阅读其产品手册，我们可以发现，芯片的表贴尺寸只有为7x11mm，但集成了7.5dB增益的单天线并实现了23.5dBm的EIRP性能，麻雀虽小五脏俱全。

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虽然可以将天线集成到芯片中，但是封装天线的性能难以满足个性化的需求。像汽车上常用的毫米波雷达则需要高增益天线，因此把天线拿出来单独给块净空进行开发设计是很有必要的。

​除此之外，车载毫米波雷达的探测距离和FOV需要进行权衡设计。对于远距离前向探测，要求可探测距离较远，因此需求窄波束高增益；对于大角度FOV，需要检测较大视野范围内的目标，因此宽波束低增益即可满足实际需求。

​如下图所示，通过切换两幅天线分时工作，可以分别实现远距离小角度和近距离大角度的FOV进行覆盖。

但是上述方法需要额外增加发射通道，为了实现单通道发射天线对不同探测距离拥有不同探测视场角的需求。可以参考阵列天线的赋形波束综合(一)，阵列天线的赋形波束综合(二)，优化各功分各馈电网络通道对单列串馈天线提供的激励幅度和相位，通过波束赋形综合所需要的方向图（子阵数量较少时，赋形效果不一定能满足需求）。除此之外，合理优化子阵间的距离和馈电相差也可以达到此效果（如下图所示），从而降低雷达硬件成本。

​上述例子都说明了天线在实际应用中，需要根据产品和需求进行新方案的研发设计。在天线工程师的“饭碗”要被抢了？一文中，CST的Antenna Magus可以一键设计常用天线。除此之外，Ansys HFSS的ACT Extension也集成了Antenna Toolkit。那么天线设计是不是就和拖控件一样简单呢？答案是否定的！辅助工具集成的天线模型虽然多，但是没有考虑结构，尺寸，天线罩的影响，而且软件生成的大多数模型参数并不是能直接用来投板加工。即使天线工程师依据于电磁仿真软件进行建模、优化的天线，其加工实物来也会与仿真有一定偏差，这个修正工作也是需要有经验的开发人员参与的。

天线设计的基础

对于科班出身的学生来说，本科阶段往往要学好多专业课。以某高校电磁场与无线技术专业为例，其本科阶段主修课程为：电路分析基础、模拟电路基础、数字逻辑设计及应用、电磁场理论、微型计算机原理及接口技术、微波技术基础、电波传播、天线原理与设计、数字信号处理、随机信号分析、微波网络、通信技术与系统等。

其中电磁场理论、微波技术基础和天线原理与设计是作为一个科班出身的天线工程师所必须掌握的专业课。有人调侃自己学习时学到秃头，工作时90%内容用不到，这个话确实很真。毕竟做工程用不到波动方程，格林函数。不是每个人都要推公式去做学术的，因此普通的本科生和硕士研究生而言，把David M.Pozar的微波工程以及Balanis的Antenna theory analysis and design根据自己需求大致学习一遍是很有必要的。但这只是第一步，如果你想做阵列天线，基站天线等，还得找相关理论书籍进行学习。理论是基石，除此之外，熟练使用HFSS、CST等电磁仿真软件则是科研、工作的必备利器，如果能会MATLAB或者Python则更是锦上添花。

在从事天线设计这个行业里，你会发现你懂的越来越多，但不懂的也越来越多。当你看了教材里的喇叭天线后觉得简单，殊不知还有双模/多模喇叭天线，宽带加脊喇叭天线，波纹喇叭天线等。在浅谈"天线和通信历史"里提到赫兹在一百多年前做出了第一个天线，而现在天线的种类和变形方案浩如烟海，个人穷极一生也难以学完。但万变不离其宗，我们可以在学习的过程中积累思辨能力，往往能达到触类旁通的效果。

行业现状

最后也探讨这个行业的现状：天线设计的找工作难度倒是没有那么大，不过大部分集中在消费电子领域。而且大部分公司的业务范围不广，也不会让你啥天线都做。如果想在职业上获得成就感，可能还是得向内索取，毕竟产品为王，懂得人都懂。

不过相对而言，小公司养天线电磁这块的人，显得鸡肋，还不如外包。大公司吧，又不是很重视，尤其手机通信厂商，技术含量说高也高，说不高也不高，不懂的人看来，你就不是个材料上贴点铜的东西嘛，有啥难度？所以在公司的地位也不高。（知乎上某自嘲的网友评论）

虽然天线设计的专业性强，行业壁垒高，但就业面相对较窄（不是劝退哈）。除了研究所和一线沿海城市的高科技企业外，要是想回内地省份，老家二三线的城市找到一份天线设计的工作，确实无门。

写到这里其实就想表达：天线设计这行由于从业人数远小于IT互联网（毕竟高校要开设电磁场与无线技术之类专业，还是需要一定门槛的），因此内卷较小，不过大部分从业人员的酬劳也没法和互联网那种跳几跳base就double相比。

和程序员一样，底层的码农（对应初级天线工程师，拿到模型调参数）不稀缺，但是做算法和架构（对应天线方案布局设计）确实需要在理论和实践上有一定造诣。一个高级天线工程师往往需要经过大量工程项目的锤炼并不断总结设计经验，在看到需求指标后脑海中就可以浮想出好几套天线方案，并且根据结构尺寸，预估成本，工作环境和重量要求等快速锁定方案，这是需要一定时间和阅历去积累的。希望各位同行都可以往这个目标去收敛！

作者：94巨蟹座少年

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