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(guó)紐約Polytechnic Institute of Brooklyn 召開的相控陣天線研討會(huì)上，宣讀了題目為“A new flush mounted antenna for phased-array applications”的學(xué)術(shù)報(bào)告。據(jù)查該份報(bào)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(huì)杰出講師，IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)謝昆諾夫論文獎(jiǎng)與克勞斯天線獎(jiǎng)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(shí)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(shí)光呼嘯、歲月流逝、斯人故去、哲人遠(yuǎn)矣，逐觸動(dòng)筆者動(dòng)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(píng)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(jiǎn)史，歡迎大家批評(píng)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(jì)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(bào)了第一項(xiàng)微帶天線專利 ；但是仔細(xì)閱讀論文和專利后，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)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(jī)理 。論文標(biāo)題中出現(xiàn)的微帶天線實(shí)際上在文中是指微帶饋電的天線，專利中的微帶天線實(shí)際上是故意在微帶線上引入不連續(xù)強(qiáng)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(huì)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(qiáng)化之，那么微帶天線發(fā)明者的桂冠就會(huì)戴在這位微波界人士的頭上。

事實(shí)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(chǎng)及遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)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(gè)公開發(fā)表的微帶天線示意圖

微帶天線輻射機(jī)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(dòng)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(yù) 。圖2是根據(jù)Munson與Howell分別發(fā)表的矩形微帶天線輻射機(jī)理繪制的電場(chǎng)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(chǎng)垂直分量，二者在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的作用互相抵消，因此矩形微帶天線的輻射不會(huì)由此兩個(gè)邊緣的電場(chǎng)產(chǎn)生，這兩個(gè)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(chǎng)可以分別分解為兩個(gè)方向相同的水平分量及兩個(gè)方向相反的垂直分量。兩個(gè)水平電場(chǎng)分量在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的作用互相加強(qiáng)，相反兩個(gè)垂直電場(chǎng)分量在遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)邊緣的電場(chǎng)水平分量產(chǎn)生，這兩個(gè)邊緣也就稱之為輻射邊。Munson將兩個(gè)輻射邊等效為兩個(gè)水平放置的寬為a 及長(zhǎng)為t 的縫隙天線，而這兩個(gè)縫隙天線由寬為a 長(zhǎng)為b 的微帶線相連接形成了一個(gè)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(jī)理以外，還建立了用于矩形微帶天線設(shè)計(jì)的傳輸線模型。此外，Munson也提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)。Howell利用自己摸索出的設(shè)計(jì)方法成功地設(shè)計(jì)了單饋點(diǎn)單線極化矩形、方形及圓形微帶天線、雙饋點(diǎn)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(cè)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(gè)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(jì)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(yàn)探索了微帶天線高階模式的輻射特性及兩個(gè)微帶天線之間的互耦程度 。

圖2、微帶天線輻射機(jī)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(gè)世紀(jì)以來天線領(lǐng)域一部熱門天線大戲的序幕。可以毫不夸張地講，縱觀整個(gè)天線發(fā)展史，還沒有看到有哪一種天線與其爭(zhēng)鋒，能夠吸引到如此之多的人力與物力對(duì)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(duì)微帶天線發(fā)展起到推波助瀾的一次會(huì)議及一本專輯。1979年10月在美國(guó)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(guó)際研討會(huì)，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(guó)的羅遠(yuǎn)祉（Y. T. Lo）， N. G. Alexopoulos， T. Itoh， 英國(guó)的J. R. James， P. S. Hall 法國(guó)的G. Dubost， 瑞典的A. G. Derneryd等多位學(xué)者與會(huì)。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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)及深入理解微帶天線工作機(jī)理及分析與設(shè)計(jì)微帶天線提供了強(qiáng)有力的理論支撐，是一項(xiàng)教科書級(jí)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(diǎn)也就自然地轉(zhuǎn)移到了三維全波分析、設(shè)計(jì)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(dú)領(lǐng)風(fēng)騷、生機(jī)勃勃。展望未來，微帶天線必將會(huì)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(cè)VLSAI將會(huì)是未來天線產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，VLSAI將會(huì)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(huì)是新一代天線人建功立業(yè)、施展才能的新天地。
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