天线将电信号转为电磁波。电磁波在空间传播。接收天线捕获电磁波。电磁波再转为电信号。这就是无线通信的基础。天线设计影响通信质量。天线性能有很多指标。这些指标包括方向性、增益、效率、阻抗匹配和带宽。研究人员不断改进天线设计。他们参考大量文献。这些文献是研究的基础。

天线有许多种类。常见的有偶极子天线、微带天线、螺旋天线和阵列天线。每种天线有自己的特点。偶极子天线结构简单。微带天线体积小巧。螺旋天线能够实现圆极化。阵列天线可以形成波束扫描。选择天线要看具体用途。手机天线需要小型化。卫星天线需要高增益。雷达天线需要窄波束。文献记录了这些天线的设计方法。

天线设计要考虑工作频率。频率决定天线尺寸。低频天线尺寸大。高频天线尺寸小。现代通信使用高频段。5G通信使用毫米波。毫米波天线设计面临挑战。路径损耗是一个问题。天线集成是另一个问题。研究人员寻找解决方案。他们阅读前人的论文。论文提供设计思路。一篇论文可能研究新型材料。另一篇论文可能研究新结构。这些研究推动天线技术进步。

阻抗匹配很重要。天线需要连接到电路。电路有特征阻抗。常见阻抗是50欧姆。天线阻抗必须接近电路阻抗。不匹配会导致反射。信号能量被浪费。通信距离缩短。匹配电路可以解决这个问题。匹配电路由电感和电容组成。设计匹配电路需要计算。参考文献给出计算公式。工程师根据公式选择元件值。实验测试验证匹配效果。

带宽指天线的工作频率范围。天线只能在特定频率工作。带宽宽的天线适应更多频道。电视天线需要宽带宽。电视信号占用很宽的频带。窄带宽天线只能接收少数频道。扩展带宽是研究课题。许多论文讨论带宽扩展技术。加载电阻可以增加带宽。使用多层结构也能增加带宽。这些方法各有优缺点。工程师根据需求选择方法。

天线辐射有方向性。全向天线向各个方向辐射。定向天线向特定方向辐射。方向图描述辐射特性。方向图有主瓣和旁瓣。主瓣是最大辐射方向。旁瓣是不需要的辐射。旁瓣会带来干扰。降低旁瓣水平是设计目标。阵列天线可以控制方向图。调整阵元间距可以改变波束宽度。调整阵元电流可以抑制旁瓣。学术期刊上有许多相关研究。

增益表示天线集中能量的能力。高增益天线将能量聚集成束。就像手电筒的光束。增益高通信距离远。但高增益天线对准困难。卫星天线必须对准卫星。移动通信基站使用扇形天线。这种天线覆盖一个扇形区域。增益和覆盖需要平衡。论文中常用分贝表示增益。设计高增益天线需要技巧。反射面天线可以提高增益。阵列天线也能提高增益。

天线效率是重要参数。效率表示转换效果。输入能量不是全部辐射出去。一部分能量变成热量损耗。导体有电阻。介质有损耗。这些因素降低效率。高效率天线节省能源。这对于电池设备很重要。手机需要高效率天线。研究人员探索低损耗材料。新材料如液晶聚合物受到关注。参考文献比较不同材料的性能。实验结果指导材料选择。

小型化是天线的趋势。电子设备越来越小。天线必须缩小尺寸。但天线尺寸受物理定律限制。缩小尺寸会降低性能。这是一个矛盾。工程师想出各种办法。采用高介电常数基板可以缩小尺寸。使用曲折线结构增加电长度。这些是常见方法。近期研究关注磁性材料。磁性材料可以进一步缩小天线。许多专利和论文描述这些设计。

多频段天线是另一需求。现代设备需要多个频段。手机需要处理2G、3G、4G、5G信号。GPS和Wi-Fi也需要单独频段。一个设备需要多个天线。这占用很大空间。多频段天线解决这个问题。一个天线覆盖多个频段。设计多频段天线很复杂。不同频段需要不同谐振结构。论文介绍多种多频段天线设计。例如开槽微带天线。例如寄生贴片天线。工程师参考这些设计。

可重构天线是新技术。天线参数可以动态改变。改变频率。改变方向图。改变极化方式。这种天线通过开关控制。开关是二极管或MEMS器件。控制电路改变开关状态。天线性能随之改变。可重构天线提高系统灵活性。一篇重要文献系统阐述可重构天线理论。这篇文献被引用很多次。后续研究在此基础上发展。新的开关器件不断出现。新的控制算法不断优化。

测量天线性能需要设备。常用设备有矢量网络分析仪。它测量反射系数。它测量传输系数。暗室是另一个重要设施。暗室墙壁覆盖吸波材料。吸波材料消除反射波。这样测量结果准确。天线放在转台上。转台旋转测量方向图。这些测量方法已经标准化。研究论文必须包含测量数据。测量结果与仿真结果对比。对比验证设计的正确性。

仿真软件帮助天线设计。常用软件有HFSS、CST、FEKO。软件建立天线模型。软件计算天线性能。工程师调整模型参数。参数包括尺寸、形状、材料。软件快速显示结果。这节省大量时间。但仿真不是完全准确。实际制作天线总有差异。加工误差会影响性能。论文通常同时给出仿真和实测结果。两者吻合说明设计可靠。

新材料影响天线发展。超材料是研究热点。超材料有特殊电磁特性。自然材料没有这些特性。超材料可以制成小型化天线。超材料可以提高天线增益。一篇开创性论文提出左手材料概念。这篇论文引发大量研究。现在超材料天线已有实用产品。频率选择表面是另一种结构。它用于反射阵列天线。它改善天线辐射特性。

天线与人体有相互作用。可穿戴设备的天线靠近身体。身体组织影响天线性能。身体吸收电磁波。天线频率发生偏移。效率可能降低。设计可穿戴天线必须考虑人体。研究人员建立人体模型。模型模拟肌肉、骨骼、皮肤的电磁特性。仿真天线靠近模型的结果。论文提出隔离层设计。隔离层保护天线不受人体影响。这些研究促进医疗设备发展。

天线阵列用于波束成形。多个天线组成阵列。通过控制每个天线的信号。合成波束指向特定用户。这提高信号质量。这减少用户间干扰。5G大规模MIMO使用这种技术。阵列有几十甚至上百个天线单元。设计这样的阵列很复杂。单元之间存在互耦。互耦改变单元的性能。需要采用去耦技术。学术会议有很多相关报告。这些报告讨论阵列校准方法。这些报告讨论低复杂度算法。

环境因素影响天线。雨水会吸收电磁波。树木会遮挡信号。建筑物会反射信号。多径传播导致信号叠加。有时信号增强。有时信号减弱。这就是衰落。天线分集技术对抗衰落。设备安装多个天线。多个天线接收不同信号。系统选择最好的信号。这提高通信可靠性。论文分析各种分集技术的效果。这些论文推动分集天线普及。

天线设计是不断发展的领域。新的需求不断出现。物联网需要大量小型天线。汽车雷达需要毫米波天线。太空探索需要深空通信天线。每个应用都有特殊要求。研究人员查阅过往文献。文献是知识的宝库。一篇论文可能解决一个小问题。许多论文积累成大进步。工程师学习这些论文。他们应用论文中的方法。他们改进现有设计。他们发明新结构。天线技术就这样慢慢进步。我们的生活因此改变。无线连接无处不在。我们享受便捷的通信。这背后是无数研究者的工作。他们的成果写在论文里。这些论文继续启发后来的人。