了解天線設(shè)計和匹配網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)談到現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際天線時，我們的大部分知識都是經(jīng)驗(yàn)性的。我們知道非常廣泛的理論，這些理論解釋了點(diǎn)電荷如何輻射(麥克斯韋方程組)、匹配的必要性(微波理論)以及畫在紙上的偶極子天線如何以它們的方式輻射，但這些定律在解決實(shí)際問題時幾乎沒有用處。天線設(shè)計的世界難題。通過分享我對無線電子產(chǎn)品在物理層面如何工作的直覺，我希望有助于形成對天線設(shè)計和匹配網(wǎng)絡(luò)的廣泛理解，并強(qiáng)調(diào)最佳實(shí)踐和來之不易的智慧的價值。

以下內(nèi)容絕不是對天線和匹配網(wǎng)絡(luò)如何工作的可靠理論解釋。首先，我們沒有大多數(shù)天線的封閉式輻射方程。其次，即使我們確實(shí)有一些天線的方程，數(shù)學(xué)也非常復(fù)雜且難以理解。天線設(shè)計是一個經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐比理論知識發(fā)展得更快的領(lǐng)域?？紤]到這些能源變壓器的復(fù)雜性，這可能是可以理解的。

無線電子產(chǎn)品中還存在許多物理(硬件)和非物理(軟件)層。工程師往往只能了解其中的部分內(nèi)容，尤其是當(dāng)他們的工作像設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)或相控陣天線一樣具體時。我打算做的是以非相對論速度振蕩的輻射點(diǎn)電荷的點(diǎn)連接到藍(lán)牙通信通道，將水表讀數(shù)傳送到網(wǎng)關(guān)

我們最熟悉的是單極天線，因?yàn)樗?jīng)是電視廣播接收的主流天線，也是第一代手機(jī)甚至玩具的主流天線。一些資深的模擬和無線工程師也會認(rèn)識到 20 世紀(jì) 90 年代末電視接收器一直占據(jù)我們屋頂?shù)陌四居钐锾炀€。出于經(jīng)濟(jì)和機(jī)械原因，當(dāng)今無線電子產(chǎn)品中最常見的天線是微帶貼片天線。然而，(在我看來)最容易解釋的天線是喇叭天線。也就是說，我將在喇叭天線上說明的概念適用于其他類型的天線。只需多一點(diǎn)想象力和對電磁學(xué)的理解，就能從同樣的角度看待它們。

天線是能量轉(zhuǎn)換器。它從一側(cè)接收引導(dǎo)電磁波，并在另一側(cè)輻射自由空間球面波。每根電線都在一定程度上做到了這一點(diǎn);電線基本上輻射穿過它們的部分電磁能。這就是我們使用電氣絕緣材料的原因之一。但通常當(dāng)我們談?wù)撎炀€輻射電磁能時，我們實(shí)際上指的是一種非常特殊的輻射類型——有用的電磁輻射。

2020 年，有用的電磁輻射只是一種以標(biāo)準(zhǔn)(FCC、ETSI 等)允許的頻率振蕩的電磁波，并且具有足夠的功率穿越應(yīng)用的目標(biāo)范圍。例如，藍(lán)牙天線必須能夠發(fā)射/輻射數(shù)十毫瓦的電磁波，可以穿越幾米的空間。我們很快就會回到這個例子?，F(xiàn)在，讓我們將注意力集中在天線作為具有一定頻率和輸出功率的能量轉(zhuǎn)換器上。

為了消除能量變壓器一詞的歧義，讓我們看一個熟悉的例子：以一種形式吸收電能并以稍微不同的形式傳輸電能的電力變壓器。它改變電信號的電壓與電流之比。換句話說，它改變了電信號的波阻抗(根據(jù)歐姆定律，電壓/電流=阻抗)。變壓器的一個常見例子是我們在高中時學(xué)習(xí)過的雙繞組變壓器，它至今仍在電網(wǎng)中使用。發(fā)電廠產(chǎn)生非常高電流和低電壓的電信號。為了以最小的損耗將該信號“傳輸”數(shù)百英里，我們使用變壓器來增加波阻抗;換句話說，增加電壓并減少電流。較小的電流可以通過較長的電線，且損耗較少。

從純粹的電氣意義上來說，天線的作用與變壓器的作用相同。例如，觀察一端連接有喇叭天線的矩形波導(dǎo)，我們可以看到天線如何準(zhǔn)備電磁波以離開波導(dǎo)進(jìn)入自由空間。逐漸開口的喇叭天線基本上是一個能量轉(zhuǎn)換器，從同軸電纜獲取阻抗為 50 Ω 的導(dǎo)波，并將其轉(zhuǎn)換為波阻抗為 377 Ω 的自由空間波。

在不使用任何數(shù)學(xué)公式的情況下，我們只是陳述了一些有關(guān)天線的相關(guān)且明顯的內(nèi)容：它們是將導(dǎo)波與自由空間波相匹配的匹配元件。為什么這種匹配很重要?因?yàn)椋c電力變壓器的情況一樣，導(dǎo)波需要這種能量轉(zhuǎn)換才能以最小的損耗穿過自由空間。 (如果電磁波的波阻抗與自由空間阻抗不同，它就不會在自由空間中傳播。)

波阻抗是電磁波中電能與磁能的比值，因此當(dāng)我說自由空間的波阻抗為 377 Ω 時，這意味著波要穿過自由空間，需要有其波阻抗為377Ω。我們知道這個數(shù)字是因?yàn)槲覀兛梢栽谧杂煽臻g中求解麥克斯韋方程組并發(fā)現(xiàn)波阻抗為 377 Ω?；蛘?，我們可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來測量自由空間波中電能與磁能的比率，并以令人難以置信的精確度獲得相同的數(shù)字。這是人類歷史上迄今為止最令人印象深刻的科學(xué)驗(yàn)證之一。

我們使用 50 Ω 作為波導(dǎo)內(nèi)部的波阻抗怎么樣?從歷史上看，50 Ω 是微波電路使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字(盡管其中一些是 75 Ω 甚至更高)。然而，在現(xiàn)代微波技術(shù)(又稱為片上微波電路)中，沒有人再關(guān)心這個 50 Ω 的數(shù)字了。那么，這個標(biāo)準(zhǔn)是從哪里來的呢?顯然，同軸電纜設(shè)計人員過去能夠在最大功率處理能力和電纜損耗之間找到折衷方案。這個折衷值是 50 Ω，從此成為每個無線工程師都使用的品質(zhì)因數(shù)。

現(xiàn)在，假設(shè)您正在嘗試構(gòu)建一個 SoC，用于感測和處理要無線發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的水表數(shù)據(jù)。 SoC 內(nèi)存中保存的數(shù)據(jù)表示為 1 和 0，我們可以順序讀取這些數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備好發(fā)送所有數(shù)據(jù)。我們還有一個稱為天線的能量轉(zhuǎn)換器。我們知道它可以從電線中獲取電磁能并改變其阻抗并將其發(fā)送到自由空間。我們是否只在天線上應(yīng)用 1 和 0?這還能用嗎?

在無線電傳輸?shù)脑缙?，開發(fā)人員能夠通過在天線一端創(chuàng)建開/關(guān)鍵控信號并使用另一個位置的另一個接收器讀取信號來成功地將數(shù)據(jù)直接應(yīng)用到天線。然而，在現(xiàn)代射頻工程中，由于多種原因，我們無法直接應(yīng)用。首先，1 和 0 發(fā)生在微控制器單元 (MCU) 的頻率上，通常為數(shù)十 MHz。天線需要大約 15 米長才能有效地將 10 MHz 50 Ω 導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為 377 Ω。對于我們現(xiàn)代的任何電子產(chǎn)品來說，這個尺寸都是巨大的。想象一下帶有 15 米天線的智能手機(jī)。

那么為什么天線必須那么長呢?為了使天線盡可能高效，它需要在其發(fā)射的波的頻率附近諧振。諧振導(dǎo)致電磁能在天線結(jié)構(gòu)的兩端之間保持振蕩，從而將盡可能多的能量保留在結(jié)構(gòu)上，而不是將其反射回源。這種保留可以實(shí)現(xiàn)更多的輻射功率。然而，諧振要求天線尺寸等于傳播波波長的一半。本質(zhì)上，用于這種直接應(yīng)用的有用天線的長度與傳播波的波長的數(shù)量級相當(dāng)。光速、頻率和傳播波的波長之間的關(guān)系是光速=波長*頻率，我用它來計算天線的 15 米尺寸。