社科在线深圳大学 何业军
天线是无线通信的“眼睛”，作为射频前端的核心组件，承担着与外界信息交互的重任。
花朵属于植物的一种繁殖器官，由一层或多层花瓣组成，形成美丽的外观和各种形状。花茎是专门支撑花朵的茎杆。
天线与花，两者看似分属于不同的学科种类，但是两者都担任了自身系统与外界交互的任务。天线传信号，花传水分养分。
天线的英文单词为antenna，本身带有“触角”的含义，这与支撑花朵、输运养分的花茎在功能形态上有异曲同工之妙 。深入观察会发现，天线与花在结构演化与辐射特性上存在着诸多跨越学科的微妙联系。花承托的是自然生机，天线传递的是人间信号，内核全然不同。所谓“神似”，不过是外形带来的奇妙错觉，真正相通的，只是那一抹挺拔向上的姿态。花朵与天线，分属自然与工程，却遵循相似的物理逻辑：它们都是与外界交换能量与信息的界面。花通过花瓣形态与色彩分布，选择性吸引特定昆虫，实现花粉传播；天线则依赖 Resonance 与 Impedance Matching，在特定频率上高效辐射或接收电磁波。二者在结构上常呈径向对称或层级分形，这不仅有助于空间覆盖，也对应不同的 Radiation Pattern 与多频响应特性。从功能到机制，再到形态，花与天线展现出“殊途同构”的关系：一个服务生命的繁衍，一个服务信息的传递，却都在无形场域中完成精妙连接。
三种天线外形酷似花朵
偶极子天线是简单且有效的天线，由两根平行导体组成，通常是金属棒或导线，它们被称为“偶极子”的两半。这两半被分开，形成一个中心点，而两边可延伸到需要的尺寸。电信号通过中心点馈电到导体，然后在两根导体之间振荡，并产生电磁场形成电磁波，产生辐射，用于发送信号；接收信号时反之。偶极子天线的辐射模式通常是全向性的，这意味着它在水平方向上均匀地辐射和接收无线电信号。这使得它适用于许多通信场景，如广播电视、卫星通信以及一般的无线通信，理由是它可以与来自不同方向的信号进行良好的交互。这种由两根平行导体组成的经典天线，通过电荷振荡产生全向辐射模式。其修长的金属杆件与荷花挺拔的花茎极为相似，两者皆是从中心向外延伸，展现出简洁而高效的对称美 。
图1. 偶极子天线与荷叶的花瓣
八木天线不同于偶极子天线，它是经典的定向天线，又称为八木反射器天线，广泛用于通信和接收无线电信号。这种天线是由日本工程师八木秀次和他的学生宇田于1926年共同发明的。八木天线的结构包括一个驱动器（也称为振子或驱动器天线）、一个反射器和若干个引向器。这些部件通常是金属棒或导线，它们平行地排列在一个支撑结构上，构成一个线性排布的阵列。传统的八木反射器天线与未开花的茎叶相似，都是朝着阵列排列方向辐射和生长。在外形上，八木天线和一般的叶子花茎都是由多个枝节与主干组成，八木天线的主干部分朝着辐射方向，使得波束有更强的指向性。
图2. 八木天线与花茎
喇叭天线是一种用于微波和毫米波频段的天线，它的设计外形类似喇叭，因此得名。喇叭天线通常用于天线测量、雷达系统、微波通信和其他高频段应用。喇叭天线看起来像一个倒置的喇叭或漏斗形状。喇叭天线通常是定向性的，它具有较强的方向性，只在特定方向上辐射或接收信号，这使其适用于需要信号定向性应用，如雷达和微波通信。有趣的是，喇叭天线与牵牛花或者类似花朵外形相似，其扩口结构能产生强方向性波束，像极了盛开的牵牛花，通过精巧的物理张角，实现了能量在特定方向上的高效汇聚 。
图3. 喇叭天线与喇叭花
贴片天线汲取花形灵感
贴片天线是一种用于通信和射频应用的小天线设计，通常制作成薄而平坦的形状，便于贴在电子设备、通信设备或其他表面。它们的导电材料常常是铜、银或其他导电材料，被固定在非导电基板上，该基板可以是玻璃纤维、聚酰亚胺、聚氯乙烯等绝缘材料。
贴片天线的形状和尺寸可以根据应用需求进行设计，最常见的形状包括矩形、圆形、椭圆形或其他定制形状。贴片天线应用于不同频段，从几百MHZ到数个GHz。它们通常用于WiFi、蓝牙、GPS、手机通信、射频识别、卫星通信等各种无线通信领域。这些天线具有许多优点，包括低成本、低剖面、定制化和方向性。它们的低成本使其适用于大规模生产，而其低剖面使其可以轻松贴附在设备表面，不会显著增加设备的厚度。
此外，贴片天线可以根据特定应用的需求进行设计和制造，以最大程度地提高性能，并且可以通过调整天线的形状和尺寸来实现不同的辐射特性，包括全向辐射、定向辐射等。然而，贴片天线性能常受到附近金属和其他电子组件的影响，因此在设计和安装时需要特别注意天线的位置和周围环境，以确保最佳性能。
图4. 贴片天线与花瓣
当然，有许多贴片天线外形也与花朵相似。比如，一种紧凑且灵活的花形共面波导馈电天线，可用于高数据无线应用，其天线的散热器由柔性和生物相容性聚酰胺基板支撑。天线的花朵形辐射体是在基本的圆形上引入圆形槽，并通过50欧姆微带线连接两个分支来设计的。该天线具有成本低、外形美观、体积小、带宽宽、易于集成等特点，可作为外置天线应用于高数据无线通信领域，可见这种设计的天线充分借鉴了花朵形状。
另外，射频识别技术是一种很有潜力的无线识别技术，可用于跟踪和身份识别。在 RFID 标签设计中，若天线单元设计为花形，那么对称的花形单元能确保标签在不同旋转角度下均能提供稳定的交叉极化响应，这种特性与向日葵花盘的几何分布有着惊人的逻辑一致性，显示了天线和花形的微妙联系。
图5. 花形天线单元与向日葵
阵列天线与花丛异曲同工
单个天线不能实现高增益和远距离传输需求，阵列天线则成为实现高增益的一种手段。阵列天线由多个天线阵元组成，它们被设计成特定的几何形状并协同工作。阵列天线具有明显的方向性，可以通过调整每个阵元的相位和振幅来实现精确的信号指向，从而提高信号接收或发射的效率。阵列天线的组合效果通常比单个天线具有更大的增益，适用于需要远距离通信和雷达应用的场合。通过合理设计和调整，阵列天线可以形成波束，使信号聚焦在特定方向上，有助于抑制干扰和提高信噪比。阵列天线还能够利用多路径传播的优势，提高信号的可靠性和质量。它们可以在多个路径上同时接收信号，减轻多径衰落引起的问题。阵列天线系统还可以实施自适应技术，根据环境和干扰水平自动调整各个天线阵元的参数，以便最大程度地提高通信质量。阵列天线适用于不同频段和应用领域，包括通信、雷达、无线电定位、天文观测等，具有广泛的多功能性。尽管包含多个天线阵元，阵列天线通常设计成相对紧凑的结构，占用较小空间，适合各种场合。因此，阵列天线的多重优势使其成为无线通信和雷达系统等领域中的重要技术组成部分。
阵列天线的代表——“蝴蝶”天线是一种适用于毫米波频率的新型串联馈电圆极化行波天线，其单元由四个微带贴片组成类似“蝴蝶”形状，各个单元依次放置、串联馈电构成线性阵列，圆极化蝴蝶天线具有低交叉极化辐射和宽轴比波束宽度。
图6. 蝴蝶形串联圆极化天线阵列板与花丛
深圳大学何业军教授提出了由新型平面衬底集成波导馈电S形偶极子构成的宽带高效毫米波圆极化阵列，其中的毫米波偶极子由两个旋转对称弯曲臂组成，通过孔径耦合差分馈电，结构简单，性能优秀，可广泛应用于卫星通信和基站互联。
将这种精密的天线阵列与自然界的花丛对比，可以发现有趣的规律：在平面上增加阵元以获取更强指向性的做法，与花朵为了最大化光合作用而簇聚成丛的演化策略不谋而合。无论是相控阵的大角度扫描，还是 MIMO 阵列的多链路覆盖，其背后针对环境的“动态适应”，正是射频工程师与大自然共同的智慧结晶。
图7. 圆极化阵列天线与花丛
组成阵列的形式多种多样，针对不同的场景设计不同类型的天线是天线工程师的常识，针对大的不同频率的波束扫描，大多用到漏波天线阵列的形式。而针对某一方向实现高增益，例如普通阵列、网格天线、反射阵列或介质透镜都可以实现高指向性性能，针对单一频率的大角度扫描需要相控阵列。需要多波束覆盖或增加不同极化的通信链路都需要组成多输入多输出的天线阵列。
总之针对不同频率和不同适用形式，设计不同天线是天线工程师应有的基本常识，组成花丛的形式也与具体的场景有关，例如花的种类和花的生活环境，以及具体地形的限制适应不同花丛的形式。
AI设计天线借鉴花朵结构
人工智能(AI)与天线之间存在着紧密的关系。一方面，AI技术可以应用于优化天线系统的性能和适应性，另一方面，天线结构的某些设计可借鉴自然界中的花朵等结构。
在通信系统中，尤其是无线通信领域，AI可用于优化和自动化天线设计。通过机器学习算法，可以分析和预测不同天线设计的性能，以便更有效地选择和优化天线参数。AI还可用于信号处理的优化，通过深度学习等技术自动调整天线参数以适应不同的通信环境，提高信号质量和网络性能。自适应天线系统能够感知环境和信号条件，并根据这些信息自动调整天线参数，而AI算法则可处理感测数据，使天线系统自动适应不同的通信场景，包括动态调整辐射方向和波束成形。
在大规模的天线阵列中，AI可用于协调和管理多个天线阵元，实现波束赋形、干扰抑制和多用户通信的优化。有学者提出了一种基于生成机器学习的方法来解决这种一对多映射，并自动化去耦合的逆设计。利用这种方法，在层间耦合不可忽略且传统方法合成繁琐的情况下，可以通过合成由潜在的全新散射体设计组成的薄结构来解决具有单个或多个约束的优化问题。天线结构所产生的波束和盛开的花朵结构相似，展示了天线和花朵外形的微妙联系。
图8. 机器学习ML超表面与花瓣
还有人提出了一种基于物理方法驱动的深度学习天线阵列形变快速波束稳定算法。首先，从理论上分析了任意曲面共形阵列的辐射方向图合成，设计了相应的物理方法，并通过计算和仿真结果验证了该方法的准确性。然后，设计了物理方法驱动的深度神经网络，并给出了其训练过程。
这种“智能自适应”在自然界早有先例：例如花朵在发生形变时光合作用可能会发生变化。这种变化通常取决于形变的原因、程度以及植物的适应机制。举例而言，一些植物的花朵具有运动性，能够随着光线的变化而发生形变，以最大化光合作用效率。
比如，向日葵的花在白天可以追踪太阳的运动。此外，在面临水分限制的干旱条件下，植物可能会通过形变，如卷曲叶片，以减少水分蒸发，然而这可能导致光合作用的减缓，因为光合作用通常需要叶片展开来最大化光的吸收。
因此，植物的形变可能是一种适应策略，旨在平衡环境变化对光合作用的影响，以最大程度地提高能量获取和水分管理的效率。AI 驱动的自适应天线阵列，就像是拥有了“生物感官”的通信系统，能够感知环境变化并自主调整辐射方向，实现通信效率的最大化。基于深度学习的自适应天线阵列波束和花朵相对比，展示了天线波束和花朵的微妙联系。
图9. 深度学习天线阵列与花瓣
在天线与花朵的微妙联系上，研究人员还在超宽带轨道角动量领域设计花朵形状的贴片天线或者可展开天线；在超表面领域研究花朵结构的吸波功能。
花朵和天线之间的微妙联系，主要表现在生物启发设计和工程应用领域。尽管它们在表面上看起来似乎毫无关联，但它们在某些方面可以相互启发。
首先，花朵的形状和结构可以为工程师提供设计天线的灵感，尤其是在微波和射频通信领域。通过模仿花朵的天然结构，工程师可以创造出更加高效的天线设计思路，并用于天线阵列系统。
其次，一些高频和微波天线采用了花朵状的结构，可以实现波束形成和指向性辐射。花朵的形状帮助天线产生精准的波束，类似于花朵中花瓣的排列，特别适合雷达、通信和射频干扰抑制等应用。
天线与花朵的微妙联系，本质上是工程学对生物启发设计的成功实践。花朵的结构为天线的小型化与高性能提供了天然模板，而天线的波束赋形技术又在无形中复刻了自然的演化逻辑 。这种跨越数亿年进化与现代科技的对话，正不断指引着我们在微波与射频通信领域创造出更高效、更具生命力的作品。
作者简介：
何业军 深圳大学特聘教授、博士生导师，享受国务院政府特殊津贴。中国通信学会会士 (CIC Fellow) 、英国工程技术学会会士（IET Fellow)，国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项项目负责人、国家自然科学基金联合基金“叶企孙”科学基金重点项目负责人。广东省特支计划领军人才，深圳市“鹏城学者”特聘教授，深圳大学优秀学者、教学名师，深圳市海外高层次人才“孔雀计划”B类专家，深圳市高层次专业人才地方级领军人才。IEEE天线与传播学会深圳分会主席(2022年获IEEE天线与传播学会杰出分会奖，每年全球评选3个) 。曾先后在香港理工大学、香港中文大学、加拿大滑铁卢大学、美国佐治亚理工学院、新加坡国立大学工作或访问。现任国家科技部中英天线与电波联合实验室主任、广东省基站天线与电波工程技术研究中心主任、深圳市天线与电波重点实验室主任。在国内外期刊及国际知名会议上发表学术论文360余篇，其中IEEE Trans./Magazine等SCI期刊论文150余篇。以第一署名出版学术著作4部（含译著3部），并合作编写著作3部。获授权专利30余件。已连续五年同时入选全球前2%顶尖科学家（World’s Top 2% Scientists）职业长期影响力及年度影响力两个榜单，Google Scholar论文引用过万次，H指数48。创立IEEE射频与天线技术国际学术会议(IEEE International Conference on Radio Frequency and Antenna Technologies)。以第一完成人获广东省科技进步二等奖，第十届广东省专利优秀奖，广东省科技进步三等奖，深圳市科技进步二等奖等。作为项目负责人主持国家、省、市级项目及横向课题40余项。主要研究方向：无线通信、天线与射频等。
