天線，按維基百科的定義，是一種用來發(fā)射或接收無線電波―或更廣泛來講―電磁波的器件 。例如，在無線通信系統(tǒng)中，天線被用于發(fā)射與接收射頻與微波波段的電磁波。而在我們的智能手機中，就有內置的平面倒F天線（PIFA），用于接收和輻射射頻波段在2.4GHz和5GHz的電磁波信號。

天線最終的目的是要將射頻信號輻射到自由空間，這時天線的設計就顯得非常重要，但是天線設計很大程度上依賴于所安裝平臺的特性，另外天線對周圍環(huán)境很敏感，這些原因導致很多情況下，天線對每個平臺都是獨一無二的設計。

目前光學天線是科研界的一個研究熱點，研究角度與應用場合也較為廣泛，各種基于光學天線的新研究領域層出不窮，因此本文難免會一漏萬，只能起到拋磚引玉的作用。

天線原理究竟是怎樣

由于天線對電磁波的調控作用服從經典電磁學的基礎方程，也即麥克斯韋方程，而麥克斯韋方程在形式上具有頻率（波長）不變性，也就是說，麥克斯韋方程組并沒有限制天線的工作波長。因此，在射頻波段電磁天線的諸多功能（例如頻率選擇表面，相控陣雷達等），邏輯上也可以在光頻段實現(xiàn)。

從尺度上來看，天線的工作波長λ與天線尺度L是線性相關的。以最簡單的1/2波長偶極子天線（dipole antenna）為例，它由兩根1/4波長單極子天線（monopole antenna）組成，其長度是工作波長λ的一半。對于工作900MHz的射頻天線，其長度為估算為 L = λ / 2= （3e8 m/s / 900e6 /s） /2 = 0.167m。而工作波長在可見光的天線，其長度估算為 L = λ /（2n），這里n為天線所處的介質環(huán)境的折射率。

對于工作波長為680nm（紅光）的光學天線，假設其制備襯底為硅，則L = λ / （2n）= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm?？梢姡瑢鈱W天線（光頻段電磁天線）的研究，首先要解決的是要能實驗制備與光波長尺度可比擬，乃至比光波長尺度還要小的微納結構。

光學天線

近年來，隨著以電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕為代表的“至頂向下”式納米加工技術的日趨成熟，大規(guī)模加工納米尺度的金屬與介質結構成為可能，光頻段電磁天線（簡稱光學天線）的研究也隨之成為研究熱點。

1. 亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內，極大提高了光子的態(tài)密度，因此被廣泛應用于突破衍射極限，并增強光與物質的相互作用。

2. 光吸收與光熱轉換：制備光學天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。然而，金屬材料在光頻段已經不再像微波波段那樣可以等效為完純導體，而是對電磁波具有巨大損耗，也即材料折射率的虛部相對實部不再是無窮大。這一特性使得光學天線對光的損耗增大，可以用作光學吸收器（absorber）。而光學天線吸收的光能最后被轉化成熱能，體現(xiàn)為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器，太陽能，以及腫瘤的治療。

3. 光學濾波，偏振選擇與相位操控：當光學天線被制備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過，在微波波段，有頻率選擇表面和相控陣雷達的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學天線陣列實現(xiàn)光波的濾波，偏振選擇，以及相位操控。

例如，最新一期的Science封面文章，就是利用基于光學天線陣列的光學超表面，對平面圓偏振光各點的相位進行調控，從而實現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見，經過巧妙設計的光學天線及其陣列，有望將傳統(tǒng)光學元件（濾光片，偏振片，成像透鏡等等）的諸多功能壓縮至光學薄膜的厚度上加以實現(xiàn)，也即平面光學元件（FlatOptics）。

再來介紹一下WIFI天線：

隨著市場競爭的加劇，硬件設備正以集成化的方向發(fā)展。天線也由外置進化內置再進化到嵌入式，先來介紹這類應用的天線種類：

⑴ On Board板載式：采用PCB蝕刻一體成型，性能受限，極低成本，應用于藍牙、WIFI模組集成；

⑵ SMT貼裝式：材質有陶瓷、金屬片、PCB，性能成本適中，適用于大批量的嵌入式射頻模組；

⑶ IPX外接式：使用PCB或FPC Cable的組合，性能優(yōu)秀，成本適中

，廣泛應用于OTT、終端設備；

⑷ External外置類：塑膠棒狀天線，高性能，獨立性，成本高，應用于終端設備，無須考慮EMC等問題；

再來總結一下空間要求和性能指標：

天線對PCB布局布線和結構的要求

1.天線的形式及天線位置和饋點尺寸的建議

內置天線經常采用的幾種形式分別為，分為彈片形式和chip貼片天線和FPC天線。貼片天線的形式是統(tǒng)一規(guī)格的，有固定的尺寸，焊盤的位置和尺寸根據(jù)具體規(guī)格的天線也是固定的。另外根據(jù)特定型號的天線有相關的天線周圍凈空的要求和設備尺寸的建議等設計指導意見。

如果采用彈片形式，我們建議客戶采用PIFA天線作為WiFi天線的形式，根據(jù)我們的經驗，PIFA天線成功率和性能都要好一些。天線RF饋電焊盤應采尺寸為2×3mm，焊盤含周邊≥0.8mm的面積下PCB所有層面不布銅。如果為PIFA天線，還要加一個2×3mm的地焊盤，兩個焊盤之間距離為2mm。

天線通常的位置都在設備的頂部，PCB頂部開始，將此區(qū)域內的所有層的地切掉2～3mm，但屬于天線地焊盤的那層的焊盤部分要保留。

2. 匹配電路布線的建議

天線匹配電路的拓撲結構為從天線開始四個件并串并串，到測試口或者Power amplifier。匹配電路下方以及匹配網絡周圍1.5mm區(qū)域內不要鋪地。匹配網絡擺放位置距離饋電焊盤放較近為好（但不要太近）。

3. 從WiFi模塊到天線匹配電路的微帶線

從WiFi模塊到天線匹配電路的信號傳輸線為50ohm特性阻抗的微帶線。為了避免在微帶線上的損耗，模塊應該盡可能的靠近天線。微帶線必須根據(jù)具體的PCB來決定尺寸。不允許有交叉的線在微帶線和地之間通過。

4. 其他一些問題

接地：良好的射頻接地對于手機的無線性能而言無疑是相當重要的，須遵循如下幾個設計原則：

盡量使外層區(qū)域的地完整，不被分割破壞（非屏蔽罩之內的部分），這個對于天線附近的區(qū)域尤為重要。天線電流必須與噪聲電流隔離，如果天線附近的接地區(qū)域被破壞成不完整的，必須在其下面相關區(qū)域產生一塊填充地平面，并用地過孔加以縫合，使之成為完整的地。此區(qū)域走線須得保證天線電流只流過表層平面，且須限制噪聲電流流進里面的完整地平面。

在使用預先生產天線時，需要注意的是其特性取決于所連接的地平面。僅當接地平面的尺寸及形狀均與制造商的評估板一致時，方可達到制造商所標明的規(guī)格。在其它情況下，用戶需要在實際應用條件下測定預先生產的天線的阻抗，并匹配至所需的特征阻抗。

5. 設備外殼金屬成分的使用問題

不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴涂或者鍍層，金屬鍍層不能實現(xiàn)可靠的接地，會對天線性能有很大影響。

6. 純金屬結構件的使用

采用全金屬結構的部件時，請對所使用的部件預留

多個接地點，具體的接地點位置的確定由天線設計公司來確定。

天線輻射區(qū)域上方不能有任何接地或者不接地的金屬裝飾物，包括電鍍和鍍金。

7. 給天線預留安裝位置的考慮

天線的安裝要遠離金屬物體，天線需要足夠的空間來展開，如果采用chip天線，那么需要按照應用指南的要求，給出足夠的凈空區(qū)域和相應尺寸的地。

如果采用彈片方式的天線，應該為天線設計支架，天線固定在支架上，而支架和PCB再進行固定；或者不用支架，天線固定在外殼上面。

在進行結構設計時要考慮給出天線安裝的空間和位置，并考慮在支架或者要安裝天線的外殼上增加熱熔柱來固定天線。

PS本文參考自射頻百花潭

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標簽：天線

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文章名稱：《什么是天線 天線的原理及應用》

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