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射频微波芯片设计8：浅析自动化设计天线与片上天线

2022-09-13 来源：射频问问作者：RFIC抛砖哥字号：大中小

《射频微波芯片设计》专栏适用于具备一定微波基础知识的高校学生、在职射频工程师、高校研究所研究人员，通过本系列文章掌握射频到毫米波的芯片设计流程，设计方法，设计要点以及最新的射频/毫米波前端芯片工程实现技术。

本文共计四部分

（全文阅读大概需5分钟，希望对您都开卷有益）

1.前言——讨论为啥要了解天线

2.基本概念——讨论常见的天线概念

3.自动化设计——介绍主流软件中的自动化设计工具

4.片上天线概述——介绍片上天线的机遇，挑战，常见形式

前言

天线（Antenna, AT）通常用于无线电子系统的收发前端，如我们在之前的博文《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知…）》中提到的射频接收机、发射机，天线总是把守着无线系统的第一关口，大有一夫当关万夫莫开的气势，没有它我们将无从谈起无线电子系统。因此，对于射频工程师而言，你或许可以不懂天线的具体设计，但是稍加了解它的基本原理和指标，笔者认为还是有必要的，这篇文章主要也就是抛砖引玉，和大家一起温顾一下天线基本知识。

其实在国内，学术界、工业界对天线的底层工作机理，物理实现和工程应用已经展开了大量的研究，时至今日，在IEEE TAP等国际期刊上面可以看到很多国内同仁们的科研的身影，比如超大规模的平板阵列天线，比如电磁混合传播模式的偶极子天线，比如各种模式的基片集成波导天线，再比如消费电子里面的终端天线等等。在之前的博客主微波天线工程师，同时也是《学个Antenna》的专栏作者，在《天线设计该如何入门》一文中给大家介绍了各种生活中的天线以及如何做好天线，博客主94巨蟹座少年在上一期《口径天线原理和效率及矩形波导仿真》也聊到了天线的基本分类和口径效率的计算，大家有时间可以链接（点击上文中的浅蓝色文字即可）过去看看。

当然在天线设计领域，也有一些“中国梦”天线，当看到第一个汉字天线还觉得挺好玩的，但接着看到一系列的汉字天线的出现，作为大聪明的你，是不是就可以轻松地发现了一串“财富密码”——中国还有十万多个汉字呢~哈哈，今年川渝地区要是有这么多水，想必也就不会被限电了吧，，，hxd就问你，冲不冲？？

图片来源：IEEE Access以及国家专利网

好啦，咋门言归正传，今天这篇推文还是老规矩——抛砖引玉，主要目的还是让大家明白天线的重要性，了解天线的基本工作原理，基本指标以及片上天线的一些基本概念。

基本概念

其实这部分的内容，我还在考虑要不要加入到本期博文中，因为一般来说大家看到基本概念都快速划过手机，哈哈，而且更进一步的是，在之前几期博文的博客主已经对天线的概念多次提及了，比如张跃平教授在之前一期中写到的《微带天线简史》中较为详细地讨论了微带天线的基本概念，再比如博客主94巨蟹座少年在《浅谈阵列天线及布阵》基于均匀直线阵详细讨论了阵列天线阵元数目、阵因子与方向性的关系，还有很多微波射频网的好文章大家下来可以翻看翻看。

本篇博文也只是抛砖引玉，那么在基础概念这部分我们主要讨论一下几个问题，更多姿势大家下来自行学习哦：

（1）什么是天线？

天线，字面意思就是在“天”中接一根“线”，假设“天=空气”，“线=导体”，那么可以这么说，天线这玩意儿就是把空气（当然老爷们要是想要专业严格一点，也可以说成是能传播电磁波的自由空间）中的电磁波转换成电路里面的信号，或者把电路里面的信号转换成空气中的电磁波的一个装置。

（2）常见的天类型有哪些？

刚刚我们聊到了，天线就是一个转换装置，博客主94巨蟹座少年在上一期《口径天线原理和效率及矩形波导仿真》也聊到了按照结构形式分为两大类：线天线和尺寸远大于工作频率对应波长的口径面天线。

P可以根据天线工作波长与其结构尺寸是否比拟可以分为：电大太小和电小天。电大天线，一般而言就是指天线有效面积远大于（其实也没有特别严格的一个界定，一般物理尺寸/波长大于2？？，大家可以留言讨论）其工作波长，我们常见的各种“锅盖天线”，在我国贵州“FAST天眼”啥的便可以归到这里面，相应的电小天线主要就是指天线有效面积远小于其工作波长（L / λ <= 1/(2*PI)？？），我们常常见到的终端（手机，路由器，遥控器）天线就是电小天线。

P也可以根据天线的工作类型分类：蓝牙天线、手机天线、车载天线、卫星天线……

P还可以根据天线的极化方式分类：线极化、左旋/右旋圆极化、椭圆极化……

P自然地，还可以根据天线的工作原理分类：微带天线、八木天线、偶极子天线…..

当然这几年大家聊得比较多的AiP ，AoC在后续的文章中我们也将会聊到。

3）如何衡量天线的好坏？

天线作为射频领域的一个标志性器件，其性能的优劣自然也可以通过一些电性能参数来表针，在不同的应用场景所关注的指标侧重点会有所不同，比如有的系统重视的是天线的体积，有的是关注的增益，有的是考查的是带宽等等，总体而言我们会考虑到天线的：工作带宽，极化方式，增益，波瓣宽度，效率，体积，重量，接口类型，成本等等。

自动化设计天线

本小节主要是为想要入门天线设计的小白或者天线行业的摸鱼大王准备的，我们主要聊一聊如何基于仿真软件快速设计一个性能还凑合的天线。需要注意的是，本文所谓自动化设计天线，不是学术界所谓的XXX深度机器学习的XXX优化算法的XXX天线设计，也不是基于脚本语言通过代码来实现天线建模，而是基于现有的商业电磁仿真软件自带的一些插件来实现常规天线的快速建模与仿真，天线大佬们完全可以忽略本小节，直接进入后面的小节观看阅读，以免本小节辣到眼睛。

基于HFSS 的ADK设计天线：

其实早在N多年前，笔者有幸玩过一段时间基于HFSS的 ADK来进行天线设计，那个时候笔者还在用HFSS13，当时的ADK长这样的：

由上图可知，该ADK可以完成单极子天线、偶极子天线、贴片天线、喇叭天线、平面螺旋天线、Vivaldi天线、PIFA等等天线的自动化设计。其设计步骤十分简单粗暴，摸鱼专用：

选中咱们想要设计的天线类型；
输入天线的工作频率等参数；
运行插件，自动调用hfss建模；
在hfss中仿真，微调，得到最终想要的结果

该过程，省去了咱们各种建模、调试的工作量，十分好用。本来想现在装一个adk来玩玩，但是发现高版本的ANSYS hfss已经不没有适配的adk了，但是万幸的是，ANSYS居然把自动化设计天线的功能集成进来了，本文就以ANSYS hfss22版本为例，如下图所示（如果读者老爷们的hfss版本在17以上的话，那么界面应该都差不多的）：

首先，我们在View菜单栏把ACT Extension勾选上
然后，在出现的ACT 界面点击Launch Wizards
接着，选中HFSS Antenna ToolKit

(4)最后，根据自己需要选中想要设计的天线类型，设置好相应的工作频率，最后点击Finish，HFSS将会自动设计好相应的天线：

图形用户界面, 图表描述已自动生成

好了，HFSS自带的ACT还有很多好玩的功能，大家下来可以进群讨论，一起愉快地玩耍起来~

基于CST 的Antenna Magus设计天线：

目前设计天线比较主流的软件怎么能少了CST呢，哈哈，同样的，为了让大家快速上手天线设计，本篇博文继续教大家怎么利用CST愉快高效地摸鱼设计。其实CST 的Antenna Magus主要还是用于咱门的阵列天线设计，当然里面也集成了N多的阵元天线，其具体设计和在HFSS中的那个ACT大同小异，先选中天线类型，然后输入指标，直接快速综合出天线的相关尺寸，导出为CST模型，最后在CST中完成仿真。

当然Antenna Magus比较好用的一个功能就是用来设计阵列天线，大家感兴趣的可以下来摸索摸索：

好了，快速设计天线的懒人方法就到此为止，希望大家谨慎使用，不要走火入魔。其实天线与我们上一期《详解基于ADS的低噪声放大器芯片设计…》中聊到的低噪声放大器设计一样，天线设计也有着完备的理论体系，大家下来如果想要进一步提高，还是得深入研究其工作机理，这样才能设计出性能较好的天线。

大家有什么想讨论的，也可加群来交流（先加文末微波射频网小编他好友，他会拉大家伙进群），后面的小节主要围绕片上天线展开讨论。

片上天线概述

我开始本想把这部分单独出一期的，但是如果这样安排，那么本期内容就成了给大家演示如何懒人设计天线了，简直不要太罪过，哈哈，因此为了不浪费大家点击进来的宝贵的几分钟时间，这里主要给大家伙分享一些片上天线的基本概念，希望对大家有用。

在聊片上天线之前，我们先聊聊天线的发展简史，当然之前张跃平教授也聊到了《微带天线简史》，而片上天线的发展历史很短（大约是2000年开始，才逐渐被大家所研究），为了稍微完备一些，我这里还是把天线的发展历程简单地捋一捋，总结罗列下，大家也可以辩证地吸收（每个时期都会有标志性的一些天线出现，但是并不代表在这之前的天线就落伍了，就比如微带天线虽然出现的挺早，但时至今日依然可以随处可见其身影）：

早在1873年，咱们的电磁先驱麦克斯韦老同志，搞定了著名的电场与磁场相互转换关系的数学方程，这就给天线设计提供了最为基础的理论。后来在1886年，有个叫赫兹的老小伙子，可能疫情期间在家无聊，天天鼓捣棒棒棍棍啥的，结果一不小心发现了工作中的导体可以发射神奇的电磁波，就此，平凡而又伟大的天线正式粉墨登场！！！

后来陆陆续续有很多研究者把近距离传输的天线传播实验拓展到了穿越大西洋之类的超远距离传输，1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，开创了人类无线通信的新纪元，到了在上世纪30年代，很多我们耳熟能详的类似于导体的天线逐渐被大家所运用，比如TV/FM/VHF天线。

在后来，随着第二次世界大战的爆发，大家伙也知道的，作为战场的千里眼，天线扮演着举重轻重的作用，此时研发人员开始不再走之前基于导线或其变形的天线之路，在上世纪50年代，在天线行业可谓是百家争鸣，比如喇叭天线、八木天线、偶极子天线、对数周期偶极子天线等等都在此时横空出世，大展拳脚。

到了上世纪60s、70s年代，随着卫星通讯的发展，此时又演变出来了很多目前依旧随处可见的天线形式，比如“锅盖”（卡塞格伦）天线、低剖面的微带天线等等；

到了上世纪80s年代，随着手机的问世，此时对天线的设计挑战主要就是：如何在满足性能的同时可以把天线做小，这时诸如倒L天线、倒F天线、平面倒F天线、陶瓷天线等陆陆续续出现在人们的视野之中，当然这类天线在当前的手机、蓝牙、wifi的终端里面，依旧是主力军。

时至今日，很多传统的天线结构依旧是我们的研究热点，随着智能设备，物联网，5G/6G通讯技术的发展，目前对天线的设计也将逐渐朝着更小更好的方向发展，目前有手机金属环天线、无线充电的近场天线、人工电磁材料（复核左右手？？）的天线大家还是比较关注的，除此之外，在小型化方面，陶瓷天线、AiP（封装天线）、AoC（片上天线）也是大家持续关注的一个方向。

片上天线的基本概念：

如今随着半导体工艺的不断发展，人们越来越想把电子系统做到尽可能地小，但在传统的电子系统中，天线似乎是一个超级占面积的存在，为了在终端设备商尽可能地缩小天线的面积，在上一期张跃平教授提到的AiP方案，即将天线封装好，倒扣在芯片之上似乎是一个不错的选择，那么有没有可能，直接在芯片内部设计天线的方式呢？答案是肯定的，所谓片上天线，无外乎就是把天线设计在芯片内部。