微波学习之路

一. 电场、磁场、电磁波 —— 信号的 “前世今生”

1. 核心概念：

2. 关键关系：为什么能形成电磁波？

二、波长、频率、带宽 —— 电磁波的 “关键属性”

1. 频率（f）：电磁波的 “振动快慢”

2. 波长（λ）：电磁波的 “空间长度”

3. 带宽（BW）：天线的 “工作频率范围”

三、极化、阻抗、反射系数（S11）—— 天线传输的 “核心指标”

1. 极化：电磁波的 “振动方向”

2. 阻抗（Z）与阻抗匹配：信号传输的 “顺畅度”

3. 反射系数（S11）：阻抗匹配的 “量化指标”

4. 实现阻抗匹配的 3 种常见方法

四、搞定 “信号在传输线 / 天线里的传输”

1. 传输线基础 —— 天线的 “信号通道”

2. 驻波、波节、波腹 —— 传输线里的 “信号状态”

3. 导波波长（λg）—— 传输线里的 “实际波长”

五、S 参数入门 —— 信号传输的 “量化指标”

1. S 参数的核心作用 —— 衡量 “信号传输 / 反射的效率”

2. S21（传输系数）—— 信号的 “传输效率”

S21 越高，信号传输越顺畅。

六、损耗与 SAR —— 信号的 “能量消耗” 与 “人体安全”

1. 微波损耗 —— 信号的 “能量浪费”

2. 比吸收率（SAR）—— 人体安全的 “红线指标”

从 “小白” 到 “能写论文”的阶梯式计划，每天 1-2 小时，先打基础（到 12 月初完成），再练仿真，最后冲论文，全程保驾护航。

第一阶段：基础攻坚—— 每天 1.5 小时，搞定 “能看懂论文术语” 的核心基础

一. 电场、磁场、电磁波 —— 信号的 “前世今生”

1. 核心概念：

电场：带电物体周围产生的 “力场”，比如梳子梳完头发能吸纸屑，就是电场在起作用。可以类比成 “磁铁周围的引力范围”，只是作用对象是电荷。磁场：磁体或电流周围产生的 “力场”，比如指南针指向南北，就是地球磁场的作用。电流越大，磁场越强（论文里天线的电流分布决定磁场强度，就是这个道理）。电磁波：电场和磁场 “相互激发、携手传播” 形成的波。想象一下：你晃动一根弹簧，弹簧的振动会带动周围空气振动，形成声波；同样，变化的电场会催生变化的磁场，变化的磁场又会催生新的电场，两者像 “连体婴” 一样向空间扩散，这就是电磁波 —— 我们的手机信号、WiFi 信号、论文里的 WBAN 通信信号，本质都是电磁波。

2. 关键关系：为什么能形成电磁波？

核心规律：变化的电场会产生磁场，变化的磁场会产生电场。

核心结论：电磁波是 “信号的载体”。我们要传输的 “生理数据”（比如心率、体温），会先被传感器转换成电信号，电信号通过天线变成电磁波，电磁波传输到接收端后，再变回电信号，最后还原成数据 —— 这就是 WBAN 的信号传输闭环。

二、波长、频率、带宽 —— 电磁波的 “关键属性”

1. 频率（f）：电磁波的 “振动快慢”

定义：单位时间内电磁波振动的次数，单位是赫兹（Hz），常用吉赫兹（GHz，1GHz=10^9Hz）。

应用：论文里的天线工作在ISM 频段（2.45GHz） ，这个频段是国际通用的 “免授权频段”，专门用于工业、科学、医疗设备（比如微波炉、WiFi、WBAN 传感器），不会和手机通信频段冲突，传输更稳定。

2. 波长（λ）：电磁波的 “空间长度”

定义：电磁波振动一次的 “空间距离”，单位是米（m）或毫米（mm）。核心公式：λ = c /f。

3. 带宽（BW）：天线的 “工作频率范围”

定义：天线能 “正常工作” 的频率区间，通常用 “绝对带宽”（最高频率 – 最低频率）或 “相对带宽”（绝对带宽 / 中心频率 ×100%）表示。通俗理解：就像收音机的 “接收范围”，只有调到指定频段（比如 FM88-108MHz）才能听到清晰的声音；天线的带宽就是它能稳定传输信号的频率范围，超出这个范围，信号就会失真或反射。

三、极化、阻抗、反射系数（S11）—— 天线传输的 “核心指标”

1. 极化：电磁波的 “振动方向”

定义：电磁波在传播过程中，电场的振动方向（磁场方向和电场垂直，所以只看电场就行）。常见类型：垂直极化（电场上下振动）、水平极化（电场左右振动）、圆极化（电场绕传播方向旋转）。通俗理解：就像跳绳，你可以上下跳（垂直极化），也可以左右摆（水平极化），振动方向不同，就是 “极化方式不同”。应用：论文里的天线是 “垂直极化”，因为近场耦合需要稳定的磁场方向 —— 从图 10 的磁场分布能看到，天线上方的磁场是垂直方向，这样能更好地和超材料织物的传输线耦合，减少信号损耗。实际举例：
垂直极化的应用
FM 收音机的拉杆天线：你听收音机时，把拉杆天线 “竖起来” 才能收到清晰信号，就是因为电台发射的是垂直极化波 —— 电场上下振动，竖天线能精准 “捕捉” 这个振动方向的信号手机基站的垂直振子天线：路边基站上那些竖着排列的长条形天线，发射的都是垂直极化波。原因是垂直极化在地面传播时损耗小，能覆盖更广的区域，而且手机通常是竖握使用（天线内置在机身，也是垂直方向），极化匹配更好，通话 / 上网更稳定。 水平极化的应用
老式电视的八木天线：以前家里屋顶的 “鱼骨天线”（八木天线），都是 “横着架” 的，因为电视台发射的是水平极化波 —— 电场左右振动，横放的天线能精准捕捉这个方向的信号（如果竖起来架，信号会严重衰减，电视画面全是雪花）。部分卫星通信接收天线：一些用于点对点通信的卫星小站天线（比如企业专网、偏远地区信号接收），会把天线振子水平放置，采用水平极化。原因是水平极化抗地面反射杂波的能力强，适合 “视距传播”（比如卫星和地面之间没有遮挡），信号更纯净。WiFi 路由器的外置天线（部分）：有些路由器的天线可以旋转，当你把天线 “横着放” 时，它发射的就是水平极化波 —— 适合在空旷的办公室、客厅使用，能减少墙壁反射带来的干扰。 圆极化的应用
GPS / 北斗导航的卫星天线：你的手机导航、汽车导航，内置的卫星天线都是圆极化的。原因是 GPS 卫星在太空高速运动，手机 / 汽车的姿态也会随时变化（比如手机横拿、汽车转弯），如果用线极化（垂直 / 水平），很容易出现 “极化不匹配”（就像跳绳时突然改变方向，接不到能量），而圆极化的电场一直在旋转，不管设备怎么动，都能稳定接收信号 —— 这也是导航能实时精准定位的关键。无人机通信天线：无人机飞行时姿态多变（翻滚、倾斜），遥控器和无人机之间的通信天线会采用圆极化，避免因为飞行姿态变化导致信号中断 —— 就像跳绳时不管怎么旋转，都能持续传递能量，圆极化能保证无人机在各种姿态下都能和遥控器正常通信。部分 WiFi 6/7 天线：高端路由器的内置天线会采用 “双极化”（垂直 + 水平组合，等效圆极化），这样不管你的手机是竖握、横握，都能实现极化匹配，网速更稳定（尤其是多设备连接时）。

2. 阻抗（Z）与阻抗匹配：信号传输的 “顺畅度”

阻抗定义：电流通过天线 / 传输线时遇到的 “阻力”，单位是欧姆（Ω），可以类比成 “水管的阻力”—— 水管越粗，阻力越小，水流越顺畅；阻抗越小，电流越容易通过。阻抗匹配定义：让天线的阻抗和传输线的阻抗（通常是 50Ω 或 75Ω）尽可能相等，此时信号传输效率最高，几乎没有反射。

3. 反射系数（S11）：阻抗匹配的 “量化指标”

定义：衡量信号反射程度的参数，用分贝（dB）表示，是负数（数值越小，反射越弱）。核心判断标准：
S11＜-10dB：反射信号小于入射信号的 10%，属于 “合格匹配”，天线能正常工作（论文里的基本要求）；S11＜-20dB：反射信号小于入射信号的 1%，属于 “良好匹配”；S11＜-40dB：反射信号小于入射信号的 0.01%，属于 “极佳匹配”（论文里优化后达到 S11＜-45dB，就是这个级别）。

4. 实现阻抗匹配的 3 种常见方法

– 调整天线结构（最常用）

原理：天线的阻抗由结构（长度、宽度、形状）决定，就像 “调整水管口径” 来匹配水流 —— 比如缩短 / 加长天线分支、改变贴片形状（论文里的 “弯曲耦合贴片”）、折叠分支（论文里的对称折叠结构）

-添加电阻 / 电抗元件（针对性优化）

原理：在天线的关键位置（比如波节、波腹）添加电阻（R）、电容（C）或电感（L），相当于 “在水管上装调节阀门”，补偿阻抗差异。

-设计匹配网络（复杂场景用）

原理：在天线和传输线之间加一个 “过渡网络”（比如由微带线、电容、电感组成），相当于 “在粗细不同的水管之间加一个变径接头”，让阻抗平滑过渡。

四、搞定 “信号在传输线 / 天线里的传输”

1. 传输线基础 —— 天线的 “信号通道”

定义：用来传输高频电信号（比如微波信号）的导线结构，相当于 “信号的高速公路”。
常见类型：论文里用的是共面带状线（CPS） ，还有常用的微带线（像电路板上的细铜线）。

2. 驻波、波节、波腹 —— 传输线里的 “信号状态”

驻波：信号在传输线里 “来回反射” 形成的稳定波动，就像跳绳时，绳子两端固定，晃动后形成的 “不动点” 和 “最大摆动点”。波节：驻波中 “振动最弱” 的点（几乎不动），类比跳绳的中间固定点。波腹：驻波中 “振动最强” 的点（摆动幅度最大），类比跳绳的两端摆动最高点。

3. 导波波长（λg）—— 传输线里的 “实际波长”

定义：信号在传输线里传播时的波长，和自由空间波长（λ≈12cm）不同，因为传输线的基板（比如 FR4）会影响信号速度。核心逻辑：导波波长 λg = λ / √εr（εr 是基板介电常数，FR4 的 εr=4.4），所以 λg≈12cm / √4.4≈5.7cm。

Question：说出 “论文用 CPS 传输线，电阻放在驻波波腹处耗散能量” 的逻辑。

Answer：论文选用薄且对称的CPS传输线，既适配可穿戴贴体需求，又能形成稳定驻波，驻波波腹是多余远场辐射能量的集中处，将电阻置于此处可高效耗散该能量，从而精准抑制远场辐射以防范窃听，且不影响近场耦合与通信效率，完美契合超材料织物WBAN的核心需求。

五、S 参数入门 —— 信号传输的 “量化指标”

1. S 参数的核心作用 —— 衡量 “信号传输 / 反射的效率”

定义：S 参数（散射参数）是高频电路里的 “性能评分表”，专门描述信号在端口间的传输和反射情况（天线有 1 个端口，传输线有 2 个端口）。S11（反射系数）：

2. S21（传输系数）—— 信号的 “传输效率”

定义：描述信号从 “输入端口（Port1）” 传到 “输出端口（Port2）” 的比例，单位 dB，数值越大（越接近 0dB），传输效率越高。

S21 越高，信号传输越顺畅。

六、损耗与 SAR —— 信号的 “能量消耗” 与 “人体安全”

1. 微波损耗 —— 信号的 “能量浪费”

定义：信号在传输线 / 天线里传输时，因电阻、基板、辐射等原因损失的能量，就像水管漏水，水流（信号）会越流越少。常见类型：
电阻损耗：电流通过电阻时，能量变成热量（论文里 R1-R4 就是利用这个原理耗散辐射能量）；辐射损耗：信号变成电磁波辐射到空间（论文要抑制的 “远场辐射” 就是这种损耗）；基板损耗：信号在 FR4 基板里传播时的能量损失（基板越厚，损耗越大，所以论文用 0.8mm 薄基板）。