天线的材料和工艺种类

引言‍‍‍‍‍‍

 

麦克斯韦方程和自由电子理论能够相当程度地在宏观和微观层面解释天线的工作机理，当然现阶段人类对物质、电磁的认知的深刻性远远高于1900年代。

宏观层面：电磁理论的建立深刻地改变了人类沟通方式。

1865年，麦克斯韦提出麦克斯韦方程组，标志经典电磁理论的建立；

1887年，赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波，证实了麦克斯韦的预测。

1901年，马可尼第一次实现横跨大西洋的无线电传输。 微观机制：自由电子理论解释导体中的电现象。 1897年，汤姆孙发现了电子。 1900年，德鲁特(Drude)提出用自由电子气体模型来解释金属的导电性质：金属晶体内的价电子可以自由运动，它们在晶体内的行为像理想气体中的粒子，故称作自由电子模型。 天线本质就是对电子运动的调控，电子共振产生电磁场与电磁波。因此从物质组成上来讲：天线是由良导体组成。一般我们生活中应用的天线，都是金属材料，能够做到量大管够、加工方便、成本便宜，容易规模化。  

消费电子的天线工艺类型

天线是良导体，更一般的说就是金属，金属可以加工成平面的，也可以加工成立体的，且要满足天线的电性能要求，金属加工方式可以是化学的，机械加工的，也可以是3D打印等等。如图2所示，天线的形式有的采用硬件电路板（PCB、FPC）的工艺，有的直接进行金属裁切折弯，金属线路镭雕在塑胶材料上，线路做在陶瓷比表面或者陶瓷介质内部等等。这里面的电介质材料都起着线路支撑的作用，也会起到天线小型化的作用。

图2  消费电子的天线工艺类型

介质也是天线辐射体功能的一部分，如透镜天线，介质谐振器天线。天线工作的无线电波虽然同可见光频段差异大，但是同样有几何光学的特征，如图3所示的球型介质透镜天线的工作原理基于光学透镜的类似行为，它通过折射或反射电磁波来达到聚焦和引导的目的，从而增加接收或发射的信号强度和方向性。

图3 透镜天线与光学折射

小结一下，天线包含天线和介质，电介质承载金属线路，可以将天线小型化，也可以调控电磁辐射的波束等。

消费电子天线的馈电类型

消费电子领域，天线馈电比较简单直接。如图4所示，一般用顶针弹片直接馈电或者通过同轴线连接到天线，同轴连接对应有一系列的射频连接器。5G时代由于频率应用越来越高，LCP工艺既可以做到同轴传输，也可以做波导馈电。

图4 消费电子馈电的类型

液态材料：液态金属天线？

液态金属（Liquid Metal）是指在常温或较低温度下保持液态的金属。液态金属天线通过电场或外力来驱动金属流动，改变金属的形状和尺寸，进而调控天线的辐射模式、频率响应和增益等参数，它的工作原理与传统金属天线相似。

气态材料：等离子气体天线？

等离子天线（Plasma Antenna）利用等离子体的响应来产生和接收电磁波。等离子体中的自由电子和离子在外电场的作用下会运动，产生与金属导体类似的电流和电磁波辐射，通过控制等离子体的密度或电场的强度，可以调节等离子天线的工作频率和其他电磁特性。

总结

1957年，毛主席说：“你（苏联）无非是在地球上挖了那么一点东西，变成钢材，做成汽车飞机之类，这有什么了不起”。

1971年，杨振宁回国探亲感受：今日中国“完全地改变了”，而这种变化的核心是“精神”。 “为有牺牲多壮志，敢教日月换新天” 就是新中国精神之体现。

1988年，邓公说“科学技术是第一生产力”。

钢铁可以做成天线，沙子亦可以做成芯片。物质，人之精神，物之理，三者缺一不可。有为进取之精神，探索数理之智慧，我们难道不能做到吗？

参考文献：

1.《Antenna Design for Mobile Devices》 Zhijun Zhang

2.《电磁场与电磁波》谢处方

3. 《Plasma Antennas》 Theodore Anderson