刘燚博士：畅想微波天线技术发展的创新方法论（4月27日）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：好久没有更新了！后台时常有人给我留言。为什么不更新？在这里统一回复，自疫情放开以来，我们都很忙。前不久，在Python-CST联合仿真群受杨老师的邀请，希望我能在仿真秀做一期线上公开技术交流。因此我决定在4月27日19时30分和大家聊聊《射频微波天线的设计、启发和思考》，详情见后文。

一、天线技术案例简介

本科课程学习中的遇到天线几乎都是由金属构成，展现的是电磁波/场与自由电子的相互作用，而随着技术的发展，出现了很多新颖的非金属（非自由电子振荡）天线。众所周知，天线不仅在民用领域有着广泛的使用，在军事领域也是克敌制胜的关键，不同频段、不同形态、不同口径的天线为雷达、通信、导航等装备提供了必不可少的能量信息交换接口，值得我们研究其设计的基本思路。

本案例从天线技术底层的发展逻辑出发，综合运用课程知识点对发明新型天线的方法论进行剖析，结合科研实践开展启发性教学，培养学员借助天线的创新方法论开拓科研创新思维的能力。

图1 案例简介（图来源于网络）

二、创新设计的方法论描述

本案例中，我们利用“具体—抽象—再具体”的方法论对天线的创新设计过程进行剖析。

天线的定义通常为：在无线电设备中，用来辐射或接收无线电波的装置称为天线。天线为发射机/接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。

“具体—抽象”：根据天线的定义，如图2所示，可将其功能总结为“天线是将电磁波转化为电流信号的一种结构”，再将此类结构的功能一般化，即“可以将各种电磁相互作用转化为电流信号”，这描述就是传感器。对各类型的传感器的共性进行凝练，我们发现传感器就是将各种电磁相互作用在能量域和频率域上进行了一些变换，最终转化成电子器件可以响应的电流信号。通过上面的分析，我们可以将天线抽象为能够实现“换能与混频”的一种结构。

图2 天线功能的抽象

“抽象—再具体”：既然天线一种“换能与混频”的结构，那么我们就可以在能量域上面写出各种能量形式，在频率对应的信息域上写出各种表现形式（各种波动的信号），如图3所示。可见，只要有一种结构能够将一种能量域的信号通过换能与混频的方式将其转化为其他能量域不同频率的信号，可称这种结构为“广义的天线”。

图3 天线功能抽象后再具体

三、举例说明

基于“具体—抽象—再具体”的方法论对天线进行剖析，其过程可以很好得用于指导我们创造性地设计各种新颖的天线。

如图4所示，从方法论的剖析中，我们也许可以比较容易想到是否有一种方法能将机械能和电磁能进行交换，发明各种机械天线。例如，旋转的带电体或者磁铁就可以发射低频的电磁波，磁致伸缩材料和压电材料配合可以实现低频电磁波的发射和接收，铌酸锂压电材料可以通过机械振动发射低频电磁波，这些天线的发明可以实现利用电小尺寸的物理结构实现长波信号的发射和接收。

图4 机械天线（图来源于网络）

如图5所示，我们也许能畅想是否有一种方法能将电磁波和电子能级的跃迁结合起来，发明一种原子天线。例如，利用高激发态原子对微波信号的响应，设计一种里德堡原子天线。处于高能级的电子运动受到原子实的影响非常小，这就使得其对电场非常敏感，微波辐射很容易扰动此高能级电子发生能级的跃迁，我们利用一些光学手段即可探测微波的扰动。这样就可以利用原子实现对微波信号的接收，其实这就是一种原子级别的天线。