微帶諧振器輻射的追根溯源

編者按：50年前的今天，學(xué)者E. V. Byron 在美國紐約Polytechnic Institute of Brooklyn 召開的相控陣天線研討會上，宣讀了題目為“A new flush mounted antenna for phased-array applications”的學(xué)術(shù)報告。據(jù)查該份報告是天線史上最早公開發(fā)表的有關(guān)微帶貼片天線的工作。為紀(jì)念微帶天線發(fā)明五十周年，微波射頻網(wǎng)編輯部特邀張躍平教授，撰寫了微帶天線發(fā)明背后的故事，以饗讀者。張躍平教授是IEEE Fellow，IEEE天線與傳播學(xué)會杰出講師，IEEE天線與傳播學(xué)會謝昆諾夫論文獎與克勞斯天線獎雙料得主。

微帶天線是天壇中特別令人矚目的一朵奇葩。它體格方圓、端莊、低調(diào)，姿態(tài)共形、美觀、優(yōu)雅。半世紀(jì)前才露尖尖角，初時秉性欠佳，引無數(shù)園丁辛勤培育、精心改良，如今已輝煌綻放，榮耀天地人間。唯感嘆時光呼嘯、歲月流逝、斯人故去、哲人遠(yuǎn)矣，逐觸動筆者動了念頭，嘗試著從有關(guān)微帶天線的海量文獻(xiàn)之中，梳理出自認(rèn)為重要的工作，將其分門別類引述，并加以評論，匯集成一份演義。一則用于自己著書立說，二則為貢獻(xiàn)者歌功頌德，三則供感興趣者閱讀與參考。今天公開的是這份演義中追根溯源部分，冠名為微帶天線簡史，歡迎大家批評指正。

追根溯源

微帶由位于介質(zhì)基片上下兩面的金屬線與接地板構(gòu)成，作為一類新型傳輸線由D. D. Grieg和H. F. Engelmann于1952年發(fā)表 。微帶是一種開放式結(jié)構(gòu)，除支撐準(zhǔn)TEM模式傳輸以外，輻射是不可避免的， 所以它可以設(shè)計成為天線。雖然人們認(rèn)為G. Deschamps和W. Sichak于1953年發(fā)表了第一篇微帶天線論文 ，Gutton和Boissinot于1955年申報了第一項微帶天線專利 ；但是仔細(xì)閱讀論文和專利后，人們會發(fā)現(xiàn)其實兩者都沒有給出我們今天所認(rèn)知的微帶天線結(jié)構(gòu)及輻射機理 。論文標(biāo)題中出現(xiàn)的微帶天線實際上在文中是指微帶饋電的天線，專利中的微帶天線實際上是故意在微帶線上引入不連續(xù)強化微帶線的輻射。此外，E. J. Denlinger于1969年發(fā)表了矩形和圓形微帶諧振器輻射的研究成果，認(rèn)為矩形和圓形微帶諧振器產(chǎn)生的輻射是由導(dǎo)體薄片不連續(xù)所致，并且輻射會隨介質(zhì)基片厚度增加而增加，隨介質(zhì)基片介電常數(shù)增加而減少 。Denlinger的工作旨在降低輻射，以便達(dá)到提高諧振器品質(zhì)因子Q值的目的。今天我們想，假如當(dāng)年Denlinger不是想法抑制微帶諧振器的輻射，而是故意強化之，那么微帶天線發(fā)明者的桂冠就會戴在這位微波界人士的頭上。

事實上，今天廣為人知的微帶天線結(jié)構(gòu)是由E. V. Byron于1970年發(fā)表 。圖1所示是Byron提出的印發(fā)電路天線 。它由帶導(dǎo)體接地面的介質(zhì)基片上印發(fā)圓形導(dǎo)體薄片經(jīng)兩根同軸電纜或帶狀線饋電形成。觀察它的結(jié)構(gòu)及給出的圓形導(dǎo)體薄片上的電流流向、近區(qū)雜散電場及遠(yuǎn)區(qū)輻射電場的分布，可以認(rèn)定它就是今天我們所講的圓形微帶天線，更是最早公開發(fā)表的微帶天線，而且還是我本人所推崇的差分式微帶天線。

圖1、世界上第一個公開發(fā)表的微帶天線示意圖

微帶天線輻射機理見諸于R. E. Munson與J. Q. Howell分別在1972年至1974年間發(fā)表的有關(guān)論文 ，尤其是Munson的論文奠定了微帶天線的基礎(chǔ)，推動了微帶天線產(chǎn)業(yè)的興起，因而也為他贏得了微帶天線發(fā)明者的美譽 。圖2是根據(jù)Munson與Howell分別發(fā)表的矩形微帶天線輻射機理繪制的電場示意圖 。如圖所示矩形導(dǎo)體薄片前、后邊緣與導(dǎo)體接地面之間僅存在著一半向上及一半向下的電場垂直分量，二者在遠(yuǎn)場區(qū)的作用互相抵消，因此矩形微帶天線的輻射不會由此兩個邊緣的電場產(chǎn)生，這兩個邊緣因而稱之為矩形微帶天線非輻射邊。矩形導(dǎo)體薄片左、右邊緣上的電場可以分別分解為兩個方向相同的水平分量及兩個方向相反的垂直分量。兩個水平電場分量在遠(yuǎn)場區(qū)的作用互相加強，相反兩個垂直電場分量在遠(yuǎn)場區(qū)的作用互相抵消，因此矩形微帶天線的輻射是由這兩個邊緣的電場水平分量產(chǎn)生，這兩個邊緣也就稱之為輻射邊。Munson將兩個輻射邊等效為兩個水平放置的寬為a 及長為t 的縫隙天線，而這兩個縫隙天線由寬為a 長為b 的微帶線相連接形成了一個2單元的縫隙陣向上半空輻射。Munson據(jù)此認(rèn)知，除了正確地闡述了矩形微帶天線的輻射機理以外，還建立了用于矩形微帶天線設(shè)計的傳輸線模型。此外，Munson也提出并實驗驗證了基于微帶天線的平面集成式電掃描相控陣概念 。Howell通過與Munson私下交流開始了從事微帶天線研究與設(shè)計。Howell利用自己摸索出的設(shè)計方法成功地設(shè)計了單饋點單線極化矩形、方形及圓形微帶天線、雙饋點圓極化方形及圓形微帶天線，并發(fā)表了微帶天線最原始的測試數(shù)據(jù)。更為重要的是Howell也提出了可以將微帶天線等效為一個上下為電壁、周邊為磁壁及介質(zhì)加載的諧振腔體最初想法，并據(jù)此計算了各種微帶天線的主模及高階模式的諧振頻率，取得了令人滿意的結(jié)果。Howell也率先試驗探索了微帶天線高階模式的輻射特性及兩個微帶天線之間的互耦程度 。

圖2、微帶天線輻射機理示意圖

Byron，Munson和Howell上述有關(guān)微帶天線的工作，向天線界吹入了一股清新之風(fēng)，很快引起了天線界的關(guān)注，從此拉開了近半個世紀(jì)以來天線領(lǐng)域一部熱門天線大戲的序幕?？梢院敛豢鋸埖刂v，縱觀整個天線發(fā)展史，還沒有看到有哪一種天線與其爭鋒，能夠吸引到如此之多的人力與物力對其進(jìn)行研究與開發(fā)，并獲得廣泛應(yīng)用。追根溯源我們除了肯定上述先驅(qū)人物創(chuàng)新性貢獻(xiàn)以外，還必須要提到早期對微帶天線發(fā)展起到推波助瀾的一次會議及一本專輯。1979年10月在美國新墨西哥州立大學(xué)召開了專門交流微帶天線研究與開發(fā)心得的國際研討會，吸引了在微帶天線研究與開發(fā)中做已作出了開拓性貢獻(xiàn)的許多天線界人物，包括美國的羅遠(yuǎn)祉（Y. T. Lo）， N. G. Alexopoulos， T. Itoh， 英國的J. R. James， P. S. Hall 法國的G. Dubost， 瑞典的A. G. Derneryd等多位學(xué)者與會。1981年1月IEEE天線與傳播匯刊出版了微帶天線的專輯 ，刊登了兩篇綜述性文章及多篇微帶天線理分析與設(shè)計的論文。其中由K.R. Carver與J. W. Mink合作撰寫的微帶天線技術(shù)綜述性文章全面而細(xì)致地總結(jié)了從1970年到1980年10年來微帶天線技術(shù)的發(fā)展及所取得的成果，指明了微帶天線技術(shù)基于當(dāng)時的考量需要進(jìn)一步研究與發(fā)展的方向。文章自刊出以來，深受讀者喜愛，一直高居微帶天線方面閱讀量、引用率雙第一的寶座，成為了一篇名副其實的經(jīng)典文獻(xiàn) 。而由W. F. Richards， 羅遠(yuǎn)祉， D. D. Harrison撰寫的微帶天線理分析的論文 進(jìn)一步完善了羅遠(yuǎn)祉，D. Solomon， W. F. Richards于1979年發(fā)表的腔模理論 。羅遠(yuǎn)祉等人的工作為認(rèn)識及深入理解微帶天線工作機理及分析與設(shè)計微帶天線提供了強有力的理論支撐，是一項教科書級別的成果，我稱之為“道”層次上的不朽杰作！

結(jié)束語

至此 （1981年1月），微帶天線確立了在天線領(lǐng)域內(nèi)的重要地位！隨后，微帶天線的研發(fā)重點也就自然地轉(zhuǎn)移到了三維全波分析、設(shè)計優(yōu)化、性能改進(jìn)、拓展應(yīng)用等新的方向。至今，微帶天線依然獨領(lǐng)風(fēng)騷、生機勃勃。展望未來，微帶天線必將會在毫米波/THz甚大規(guī)模天線集成（Very Large Scale Antenna Integration， 縮寫為VLSAI）系統(tǒng)中占有一席之地！ 我預(yù)測VLSAI將會是未來天線產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場，VLSAI將會使封裝域或芯片域或二域協(xié)同集成天線技術(shù)（AiP，AoC，AiP + AoC）得到更大的發(fā)展， VLSAI也將會是新一代天線人建功立業(yè)、施展才能的新天地。
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