如何自学天线设计?

一般来讲一个完整的天线设计过程会包括下面几点:
1、天线需求分析及分解
在这个阶段你应该知道天线是在什么场景下使用的?在这种场景下客户要求的天线指标有哪些?客户提出的指标要求是否都合理,是否可实现?你可以适当牺牲哪些指标?哪些指标必须要保证?如果有不同客户提出不同的设计诉求,你有没有办法提取最关键的共同需求,实现归一化设计以降低设计成本?总之在这一个阶段你要做到你真的明白客户需要一个什么样的天线。

2、天线解决方案分析
等你理解清楚客户的需求以后,是时候提出具体的解决措施了。太阳底下没有新鲜事,这句话在天线设计领域也是成立的。天线的使用场景一定,你可选的天线方案一般也就定下来了。比如说:你要做低剖面的,那一般都会选择贴片类型的天线;你要做基站天线,那一般都会选择偶极子;你如果做测试馈源,那一般都会选择喇叭天线;你如果要做小型化,那你可能就会想到介质谐振天线。但是这并不意味着万事大吉了。因为具体到一个类型的天线,你要控制住天线的S参数带宽及方向图带宽都要求你对具体的天线形状做细致的优化。在这一步中最能体现一个天线工程师的理论及仿真水平。一般来讲在这一步中会提出多种备选的方案,毕竟没有人会把所有的鸡蛋放在一个篮子里面。经过这一步,一般一个虚拟的但是完整的天线模型就产生了。

3、天线样机制作
在第二部的基础上,一般都会投版打样。在这一步你需要充分关注DFX:天线机械装配是否满足要求?能否做进一步的设计改进使得装配更加容易?是否已经做了防呆设计?天线的实际馈电设计是否和设想一样?能否进一步降低线路损耗?防雷设计是否到位?焊点可靠性设计是否OK等等。

4、天线性能调试及天线定版
你有了天线样机以后就需要做性能调试了。这里的调试一般就是一个try and cut的过程,但是好在我们有第二部做仿真及分析的基础,我们的try也会有方向很多。这里一般走弯路比较多,但是你在前期分析做的系统和有序,一般很快就能找到规律。千万不要认为天线是玄学,千万不要过多的吹捧经验的重要性。碰到疑难问题的时候,要学会冷静的分析问题的根因。你要坚信,宏观的电磁现象都能被经典的电动力学能解释。一般经过几个回合的调试,天线最终方案就会确定下来了。

5、小批量试制及批量发货
等天线定版以后,最关键的一部就来了。小批量发货及批量发货。经历了批量发货的人都会知道在这个阶段什么神奇的问题都会发生,但是等你仔细分析的时候发生这些神奇的事情都是因为一些很细节的设计问题造成的。举个真实的栗子:电镀锡的厚度本来和趋肤深度有关,这是一个关键指标,但是没有列为管控指标造成天线批量问题。

好了,等你清楚了天线设计的过程以后你就该知道你需要哪些知识了。

首先你得懂天线相关的电学知识,这一部分知识不必贪多但一定得弄懂,电磁场理论就看R.F.Harrington的Time-Harmonic Electromagnetic Fields,天线就看C.A. Balanis的Antenna Theory Analysis and Design,有了这俩法器在手你一定不会被千奇百怪的天线形状给吓住的。PS:建议尝试做书后的习题,这对加深理解非常有帮助,虽然很多题目我都做不出来,捂脸~

其次你得懂仿真工具及方法。天线设计中电磁仿真不是万能的但是没有电磁仿真却万万不能。我最熟练的工具是Ansys HFSS,就已这个为例了。要想用好仿真工具,你首先得会使用帮助文档。一个好的软件必定有非常完备的帮助文档,千万不要到处跪求各种问题的解法浪费时间(我就干过),静下心来仔细的阅读帮助文档,学会使用帮助文档,你想要知道的答案一般都会在的。例如要想理解HFSS的工作原理及各种技术细节,稍作探索你会发现HFSS的帮助文档中的Technical Notes部分就是你的最爱。怎么样才能算懂仿真工具及方法呢?用最简单的模型在最少的时间内用最合适的算法得到最优的结果,差不多就这个标准了。我一直这么要求自己,当然这个“最”也随着自己的阅历在不断的刷新着。

再次你得知道结构设计及生产制造相关的知识。例如知道基本的绘图方法(现在才想起原来《工程制图》这么重要,以前在学校的时候我想我一个学电的学这为啥?),什么样的造型设计有利于减小风载?什么样的结构形式能够增加强度?在现有的设计场景下应该优先使用什么样的材料来做天线?因为这些因素最终都会影响你设计的天线,你只有懂这些才能和其他领域的工程师愉快的合作。

最后你得明白作为硬件工程师最好的自学方式就是找机会参加实际的生产实践。你得学会撸起袖子加油干,做一款能够工作的天线出来。我的体会是:我在公司一个月学会的东西比我在学校一年的都多~

电磁学发展简史

对我来讲理解一个学科最好的起点莫过于去学习这个学科的发展历史。已经有很多人对电磁学的发展史做了系统的总结,我这里想简单的罗列一下自己看过的一些书籍及相关资料。

1、《法拉第的故事》   张文亮教授著

这本书我是在看国立交通大学的公开课时听一位老师推荐的,那位老师说每一个电机系的同学都应该读一下这本小书。后来废了不少劲找到这本书,确实是一本好书,正本书是在写法拉第的故事,但是也满满的都是电磁学的发展史。里面还有很多的感人又励志的小故事,时不时还能激起你的科研梦,读来十分有趣。特别值得一提的是,由于这本书是在台湾出版的,所以全文是繁体字且是竖排版,抓着书有一种古代文人的感觉。

2、History Of Electromagnetic Theory

Wikiepdia历来是我的最爱,不用废话,你读就知道了。

3、Electromagnetism

这个是一个挺有意思的电磁学大事年表,看看那些重大的突破中间可是隔着好多年呀!

Antenna Rocks!

天线是一门很有意思的学科,要想做好天线对天线工程师有很高的要求。具体来讲体现在以下几个方面:首先你得懂电磁场理论。虽然经典电磁学理论框架非常成熟,但是现在设计的天线所处的电磁环境都非常复杂,要想设计一个好的天线必须得有坚实的电磁场理论做基础,否则会出现莫名其妙的把指标调好了自己都没搞清楚为啥的情况,这样天线就很容易变成玄学;其次你得会仿真,电磁场都是按照Maxwell方程来运行的,可不巧的是这个方程组是个偏微分方程组,对于很多具体的应用环境来讲就得靠数值解了因为获得解析解是不现实的,因此学会仿真是天线设计一项必备技能;再次你得懂材料及工艺的知识,所有的天线最终都是要靠实际的材料来制作和生产的,因此只有深刻理解材料和工艺才有可能制造低成本高性能高可靠性的天线产品;最后你还得懂市场,只有理解深刻理解的需求才能占领市场,才来带来效益和利润。

在这里我想系统的总结一下作为天线工程师需要掌握的一些必备知识,一方面希望这些知识能对其他人有所帮助,另一方面也是对自己知识的一个梳理和总结。