天線與花瓣，如此神似！

天線是一種電子設備或器件，用于接收和發射無線電波或電磁波。它通常由導電材料構成，如金屬，被設計成一種特定的形狀和結構，以便與無線電信號相互作用。主要作用是將電磁波轉換為電流（在接收模式下）或將電流轉換為電磁波（在發射模式下），從而實現信息的傳輸。天線在移動通信、衛星通信、廣播、雷達、導航和其他無線技術應用中發揮著關鍵作用。不同類型的天線有著不同的應用，以滿足特定的通信需求，如全向天線用于覆蓋廣范圍區域，而定向天線用于遠距離通信。

花瓣通常位于植物的頂端，是花朵的組成部分之一。花瓣五彩繽紛，具有薄而平坦的結構，它們圍繞花朵中心，可以單獨或成群出現。花瓣的主要功能是吸引傳粉媒介（通常是昆蟲、鳥類或風）來幫助傳播花粉并促進植物的生殖。不同植物種類的花瓣具有各種顏色、形狀和紋理，以吸引不同類型的傳粉媒介。花瓣通常與其他花部分如花蕊（包括雄蕊和雌蕊）一起構成完整的花朵。它們在花的生殖過程中扮演重要的角色，吸引傳粉媒介，以促進花粉傳播、受精和種子的產生。花瓣的顏色、形狀和香氣對吸引傳粉媒介起到關鍵作用，因為這些特征可以吸引訪問花朵的生物并促使它們與花部分互動。總之，花瓣是植物花朵的一部分，它們具有吸引傳粉媒質的功能，幫助植物進行繁殖。不同植物種類的花瓣在顏色和形狀上具有差異，這有助于吸引不同類型的傳粉媒質。

偶極子天線(Dipole Antenna)是簡單且有效的天線，由兩個平行導體部件組成，通常是金屬棒或導線，它們被稱為“偶極子”的兩半。這兩半元件被分開，形成一個中心點，而兩邊延伸出去。電信號通過一個導體元件輸入，然后在兩個導體元件之間振蕩，并產生電磁場形成電磁波，產生輻射，用于發送信號；接收信號時反之。偶極子天線的輻射模式通常是全向性的，這意味著它在H面上均勻地輻射和接收無線電信號。這使得它適用于許多通信應用，如廣播、衛星通信以及一般無線通信，理由是它可以與來自不同方向的信號進行良好的交互。圖1給出了偶極子天線與荷葉花瓣外形對比，荷花具有長長的植物根莖，在外形上和偶極子天線類似。

八木天線不同于偶極子天線，它是經典的定向天線，又稱為八木反射器天線，廣泛用于發射和接收無線電信號。這種天線是由日本工程師八木秀次(Hidetsugu Yagi)和他的學生宇田 (Shintaro Uda)于1926年共同發明的，故稱為Yagi-Uda Antenna。八木天線的結構包括一個驅動器（也稱為振子或驅動器天線）、一個反射器和若干個引向器。這些部件通常是金屬棒或導線，它們平行地排列在一個支撐結構上，構成一個線性排布的陣列。傳統的八木反射器天線與未開花的莖葉相似，都是朝著陣列排列方向輻射和生長。圖2描述了八木天線的外形和一般的葉子根莖，在外形上兩者都是由多個枝節與主干組成，八木天線的主干部分朝著輻射方向，使得波束有更強的指向性。

貼片天線是一種用于通信和射頻應用的小天線設計，通常制作成薄而平坦的形狀，便于貼在電子設備、通信設備或其他表面。它們的導電材料常常是銅、銀或其他導電材料，被固定在非導電基板上，該基板可以是玻璃纖維、聚酰亞胺、聚氯乙烯等絕緣材料。

貼片天線的形狀和尺寸可以根據應用需求進行設計，最常見的形狀包括矩形、圓形、橢圓形或其他定制形狀。貼片天線應用于不同頻段，從幾百MHZ到數個GHz。它們通常用于WiFi、藍牙、GPS、手機通信、射頻識別（RFID）、衛星通信等各種無線通信領域。這些天線具有許多優點，包括低成本、低輪廓、定制化和方向性。它們的低成本使其適用于大規模生產，而其低輪廓使其可以輕松貼附在設備表面，不會顯著增加設備的厚度。此外，貼片天線可以根據特定應用的需求進行設計和制造，以最大程度地提高性能，并且可以通過調整天線的形狀和尺寸來實現不同的輻射特性，包括全向輻射、定向輻射等。然而，貼片天線性能常受到附近金屬和其他電子組件的影響，因此在設計和安裝時需要特別注意天線的位置和周圍環境，以確保最佳性能。

一些研究者設計出與花瓣相似的貼片天線，Farooq Faisal[1-2]提出了緊湊且靈活的花形共面波導(CPW)饋電天線用于高數據無線應用。所提出的天線的散熱器由柔性和生物相容性聚酰胺基板支撐。天線的花形輻射體都是在基本的圓形上引入圓形槽，并通過50歐姆微帶線連接兩個分支來設計的。該天線具有成本低、外形美觀、體積小、帶寬寬、易于集成等特點，可作為外置天線應用于高數據無線通信領域，設計的天線如圖4所示，充分借鑒了花瓣的形狀。

射頻識別技術（RFID，Radio Frequency Identification）是一種很有潛力的無線識別技術，可用于跟蹤和身份識別。Fatemeh Babaeian[3]提出了一種開發跨極性諧振器和單元電池的技術，無論標簽取向如何，它們都能顯示一致的反射。花形單元胞在不同旋轉角度下提供了非常一致的交叉極化響應等。圖5給出了花型單元胞和向日葵，花型單元胞和向日葵花瓣有著相似的分布，顯示了天線和花瓣的微妙聯系。

單根天線一般不能實現高增益和遠距離傳輸需求，陣列天線則成為實現高增益的一種手段。陣列天線由多個天線陣元組成，它們被設計成特定的幾何形狀并協同工作。(1)陣列天線具有明顯的方向性，可以通過調整每個陣元的相位和振幅來實現精確的信號指向，從而提高信號接收或發射的效率。(2)陣列天線的組合效果通常比單根天線具有更大的增益，適用于需要遠距離通信和雷達應用的場合。(3)通過合理設計和調整，陣列天線可以形成波束，使信號聚焦在特定方向上，有助于抑制干擾和提高信噪比。(4)陣列天線還能夠利用多路徑傳播的優勢，提高信號的可靠性和質量。它們可以在多個路徑上同時接收信號，減輕多徑衰落引起的問題。(5)陣列天線系統還可以實施自適應技術，根據環境和干擾水平自動調整各個天線陣元的參數，以便最大程度地提高通信質量。(6)陣列天線適用于不同頻段和應用領域，包括通信、雷達、無線電定位、天文觀測等，具有廣泛的多功能性。盡管包含多個天線陣元，陣列天線通常設計成相對緊湊的結構，占用較小空間，適合各種場合。因此，陣列天線的多重優勢使其成為無線通信和雷達系統等領域中的重要技術組成部分。

Ghanshyam Mishra[4]提出了一種適用于毫米波頻段的新型串聯饋電圓極化行波天線——“蝴蝶”天線。蝴蝶單元由四個微帶貼片天線組成的順序旋轉串聯饋電線性陣列組成。所提出的圓極化蝴蝶結構具有低交叉極化輻射和寬軸比波束寬度。通過周期性漏波天線(LWA)分析，深入了解了“蝴蝶”系列饋線陣天線的輻射特性，并通過全波電磁仿真對其進行了驗證。平行串聯饋電平面陣列天線如圖6所示。平行串聯饋電平面陣列天線和花叢排列相似，通過增加數量和體積增加對波束增益或光合作用能力。

何業軍教授團隊[5]提出了一種由新型平面襯底集成波導饋電s偶極子構成的寬帶高效毫米波圓極化陣列，其中的毫米波偶極子由兩個旋轉對稱彎曲臂組成，通過孔徑耦合差分饋電，結構簡單，性能優良。該陣列天線和花叢的照片如圖7所示：“在平面上增加天線陣元數量可以在某一方向上獲得更優良的性能”，這與“花瓣為了更好的進行光合作用簇成花叢”有異曲同工之處。組成陣列的形式多種多樣，針對不同場景設計不同類型的天線是射頻開發者的常識：對不同頻率的波束掃描，大多用漏波天線陣列形式；對某一方向實現高增益需求，可采用普通陣列、網格天線、反射陣列或介質透鏡；對單一頻率的大角度掃描設計成相控陣列；對需要多波束覆蓋或增加不同極化的通信鏈路則需要組成多輸入多輸出天線陣列。總之，針對不同頻率和不同的適用場景，需要設計不同天線；類似地，花叢的生長形式與周圍的環境有關，例如花的種類和花的生活環境，與具體地形地貌等也密切相關。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)與天線之間存在著緊密的關系。一方面，AI技術可以應用于優化天線系統的性能和增強天線適應性，另一方面，天線結構的某些優化設計可以借鑒自然界中的花瓣等結構。

在通信系統中，尤其是無線通信領域，AI可用于優化和自動化天線設計。通過機器學習算法，可以分析和預測不同天線設計的性能，以更有效地選擇和優化天線參數。AI還可用于信號處理的優化，通過深度學習等技術，系統能夠自動調整天線參數以適應不同的通信環境，提高信號質量和網絡性能。自適應天線系統能夠感知環境和信號條件，并根據這些信息自動調整天線參數，而AI算法則可處理感測數據，使天線系統自動適應不同的通信場景，包括動態調整輻射方向和波束成形。在大規模的天線陣列中，AI可用于協調和管理多個天線陣元，實現波束成形、干擾抑制和多用戶通信的優化。Parinaz Naseri[6]提出了一種基于生成機器學習(ML)的方法來解決這種一對多映射。利用這種方法，在層間耦合不可忽略且傳統方法合成繁瑣的情況下，可以通過合成由潛在的全新散射體設計組成的低剖面結構來解決具有單個或多個約束的優化問題。天線結構所產生的波束方向圖和花瓣如圖8所示，這和盛開的花瓣結構相似，展示了天線和花瓣的微妙聯系。

Kaiqi Cao[7]提出了一種基于物理方法驅動的深度學習(pmdl)天線陣列形變快速波束穩定算法。首先，從理論上分析了任意曲面共形陣列的輻射方向圖合成，設計了相應的物理方法，并通過計算和仿真結果驗證了該方法的準確性。然后，結合上述輻射方向圖綜合，設計了物理方法驅動的深度神經網絡(DNN)，并給出了其訓練過程。在植物界，花瓣在發生形變時光合作用可能會發生變化。這種變化通常取決于形變的原因、程度以及植物的適應機制。舉例而言，一些植物的花朵具有運動性，能夠隨著光線的變化而發生形變，以最大化光合作用效率。比如，向日葵的花朵在白天可以追蹤太陽的運動。此外，在面臨水分限制的干旱條件下，植物可能會通過形變，如卷曲葉片，以減少水分蒸發，然而這可能導致光合作用的減緩，因為光合作用通常需要葉片展開來最大化光的吸收。因此，植物的形變可能是一種適應策略，旨在平衡環境變化對光合作用的影響，以最大程度地提高能量獲取和水分管理的效率。這與天線的人工智能自適應波束算法不謀而合，適應了不同環境下的光合作用或通信。基于深度學習的自適應天線陣列波束和花瓣如圖9所示，展示了天線波束和花瓣的微妙聯系。

在天線與花瓣的微妙聯系上，學者們還在超寬帶軌道角動量領域設計花瓣形狀的貼片天線或者可展開天線；在超表面領域研究花瓣結構的吸波功能。花瓣和天線之間的微妙聯系，主要表現在生物啟發設計和工程應用領域。盡管它們在表面上看起來似乎毫無關聯，但它們在某些方面可以相互啟發。首先，花瓣的形狀和結構可以為工程師提供設計天線的靈感，尤其是在微波和射頻通信領域。通過模仿花瓣的天然結構，工程師可以創造出更加高效的天線設計思路，并用于天線陣列系統。其次，一些高頻和微波天線采用了花瓣狀的結構，可以實現波束形成和指向性輻射。花瓣的形狀幫助天線產生精準的波束，類似于花朵中花瓣的排列，特別適合雷達、通信和射頻干擾抑制等應用。