天線三大重要原理背后你不知道的事

引言

天線發(fā)展史上三大重要原理均源自于縫隙天線的發(fā)明。縫隙天線是由英國倫敦帝國學院一等榮譽畢業(yè)生艾倫布魯姆林(Alan Blumlein，1903-1942) 于1938年為電視廣播而發(fā)明。筆者認為在天線歷史上，縫隙天線與天線的祖師爺赫茲1886年發(fā)明的偶極子天線具有同等的地位?？p隙天線不僅僅增加了天線作為“器”的類型，也極大地豐富了天線“道”的內容?？p隙天線直接孕育了后來提出的天線三大重要原理：電磁巴比涅原理、自互補性原理、自相似性原理^1^。下面就讓筆者為大家慢慢道來三大原理背后一些鮮為人知的故事。

一． 電磁巴比涅原理

電磁巴比涅原理由英國劍橋大學一等榮譽畢業(yè)生亨利·喬治·布克（Henry George Booker ，1910-1988）于1946年發(fā)表^2^。實際上，布克于1941年就完成了將光學中的巴比涅原理擴展到電磁學領域的工作。因為當時二戰(zhàn)戰(zhàn)事正酣，出于保密的原因，成果僅在英國電訊研究機構內部以機密的形式傳閱，沒法及時對外發(fā)表。

二戰(zhàn)后，布克移民美國，先在康奈爾大學任教，后創(chuàng)建加州大學圣地亞哥分校電子工程系。布克最著名的工作并不在電磁巴比涅原理與布克關系式及頻選表面，而是在太空無線電波傳播方面。我國在太空無線電波傳播方面的研究重鎮(zhèn)之一是武漢大學，布克先生是武漢大學的榮譽教授。

布克有兩位著名的學生：一位是美國天眼的設計師威廉·埃德溫·戈登博士，另一位是著名天線專家，香港城市大學電子工程系創(chuàng)系主任李啟方教授。有趣的是老師布克與學生啟方都各自創(chuàng)建了著名的電子工程系。加州大學圣地亞哥分校電子工程系目前擁有著名的電磁學家丹尼爾·西文派珀（Dan Sievenpiper）教授與微波集成電路與天線專家加布里埃爾·雷貝茲（Gabriel M. Rebeiz）教授。

香港城市大學電子工程系目前擁有著名的天線專家陸貴文院士、陳志豪教授、梁國華教授。下圖照片攝于IEEE天線與傳播年會，照片中正面者是李啟方教授，穿黑色西裝者是布克教授，照片來自于李啟方教授。

二． 電磁自互補性原理

電磁自互補性原理由日本東北大學特別研究生蟲明康人（Yasuto Mushiake, 1921-2020）于1948年發(fā)表^3^。蟲明康人教授在后來發(fā)表的文章中提到日本有關縫隙天線的研究在1940年代中取得進展，日本于1945年就得到了現在稱之為布克關系式的關系式，這比布克1946年發(fā)表文章的時間要早^4^。蟲明康人教授可能沒注意到布克在他的文章中明確指出相關的工作在1941年就完成了。蟲明康人教授曾被提名IEEE天線與傳播學會克勞斯天線獎，筆者正好那年是評委，遵循評分標準，給他打的是最高分?？赡茉S多評委并不了解蟲明康人教授工作的重要性，所以蟲明康人教授與獎失之交臂。我猜IEEE天線與傳播學會行政委員會感覺到蟲明康人教授未能獲獎有些不妥，建議IEEE應該確認蟲明康人的貢獻。IEEE接納建議，直接頒授IEEE 里程碑。下圖照片攝于2017年7月27日IEEE里程碑頒授現場，照片來自于網絡，定格在IEEE代表人羅斯斯通（Ross Stone）博士向蟲明康人教授頒授里程碑的一瞬間。至此，日本東北大學因天線方面的貢獻獲得了兩項IEEE里程碑。另一項是八木與宇田天線。八木與宇田是同事關系，宇田與蟲明康人是師徒關系。近一百年來，日本東北大學在電磁與天線方面的研究成果突出，人才輩出。東北大學畢業(yè)生在日本天線界地位舉足輕重。目前，陳強院士是該校世界上著名的電磁工程研究室主任。

三． 電磁自相似性原理

電磁自相似性原理由英國劍橋大學一等榮譽畢業(yè)生維克多·亨利·拉姆齊（Victor Henry Rumsey，1919-2015）于1954年提出^5^。拉姆齊于1950年代初先在俄亥俄州立大學，接著1954至1957年在伊利諾伊州香檳和厄巴納分校，之后去了加州大學伯克利分校，最后應亨利·喬治·布克教授邀約落腳于加州大學圣地亞哥分校任教。拉姆齊教授一人推進了兩所美國大學的天線研究。他擔任過俄亥俄州立大學天線實驗室的主任，也擔任過伊利諾伊州香檳和厄巴納分校天線實驗室的主任。他在加州大學伯克利分校發(fā)現天線實驗研究太難，進而再次專注于理論研究。拉姆齊受蟲明康人電磁自互補性原理的影響，提出了電磁自相似性原理?；陔姶抛曰パa性原理設計的自互補天線，理論上可以做到阻抗不頻變。基于電磁自相似性原理設計的自相似天線，理論上可以做到不僅阻抗不頻變，而且也可以做到方向圖不頻變。拉姆齊因率先將自互補天線阻抗公式稱之為蟲明康人關系式而獲得日本東北大學榮譽博士學位。下圖照片攝于俄亥俄州立大學，照片來自于網絡，照片中人是拉姆齊教授。

四． 電磁學與天線研究中心由英國轉向美國

二戰(zhàn)結束前，英國無疑在國際上處在電磁學、天線學、微波學研究的領導地位。二戰(zhàn)中英國向美國轉讓的多項尖端研究成果（最著名的有伯明翰大學的空腔磁控管）及二戰(zhàn)后許多杰出的英國學者移民美國，直接或間接地助成了美國電磁學與天線研究方面在國際上的崛起^5^。

當然，世事難料，誰能想到幾十年后電磁學研究再次熱起是由英國倫敦帝國學院約翰·布賴恩·彭德里爵士（Sir John Brian Pendry， 1943）引發(fā)。他帶起的超材料研究風靡全球，成就再次令世人對英國式研究刮目相看。超材料研究始于電磁學，后來相繼在光學，聲學，力學，熱學等學科掀起熱潮。目前，超材料研究熱點在通信界，通信人建議利用可重構智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）主動改善移動通信傳播信道，提升移動通信系統(tǒng)容量，增強用戶體驗。

英國伯明翰大學彼得·霍爾（Peter S. Hall）教授無疑是當代世界上最著名的天線權威。他在1978年發(fā)明的疊層微帶天線是5G移動通信中最廣泛應用的天線。

目前，華人學者是英國電磁學、天線學、微波學研究的領導與中堅力量。突出的代表有華為Fellow王漢陽博士，倫敦瑪麗女王大學郝陽院士與陳曉東教授（陳教授發(fā)明了超寬帶準自互補天線，他的一篇有關UWB天線設計的文章谷歌引用率高達1148次，位列此類天線文章引用率第一名）、利物浦大學黃漪教授、倫敦大學學院湯建輝（Kenneth Tong）教授、曼徹斯特大學吳志鵬教授、赫瑞-瓦特大學洪佳生教授、薩里大學高躍教授、英國國家物理實驗室盧田豐博士及剛離開英國加入香港中文大學的高式昌教授等。

五． 后記

撰寫此文的想法最早閃現在腦海中是在準備內部講座【物理原理與天線】講稿時。動筆的推動力是我與束俊博士將我有關天線阻抗關系的研究^6^，成功地用于指導寬帶天線設計^7^。2022年11月正式發(fā)表在IEEE天線與傳播匯刊上的文章^7^是我們“陰陽天線”系列文章的第一篇。陰陽天線的主要思想是利用結構中的兩個陰陽輻射體通過互耦進行互補，而這與傳統(tǒng)意義上的自互補天線不存在互耦是完全不同的?；ヱ罹拖裉珮O圖中黑色區(qū)域的白點，白色區(qū)域中的黑點，你中有我，我中有你，和諧共生。利用互耦使得天線設計更加靈活，但是無可避免地無法在理論上像自互補天線那樣做到天線阻抗不隨工作頻率變化而變化，也做不到像自相似天線那樣不僅阻抗而且方向圖皆不隨頻率變化而變化。好在理論仿真與實驗研究表明陰陽天線可以在很寬的頻帶內實現良好的阻抗匹配與方向圖保形。

主模與互耦是目前筆者與學生們天線研究的主旋律，它有望奏出片上天線（Antenna-on-Chip，AoC）研究之凱歌，為未來6G或XG太赫茲頻段集成天線研發(fā)鋪平道路。差分與單端口激勵是筆者天線研究生涯中一根清晰可見的主線，它順應了系統(tǒng)級無線芯片發(fā)展的潮流，結出了封裝天線（Antenna-in-Package，AiP）之碩果，為毫米波5G與超高頻IoT提供了良好的天線解決方案。

行文結束之際，欣然獲悉由李啟方教授提名，筆者作為推薦人之一的英國倫敦大學學院湯建輝教授入選2023級IEEE會士。湯教授研究微帶天線，成就斐然，當之無愧，可喜可賀！同時也高興地得知由劉兌現博士提名，筆者作為推薦人之一的韓國浦項科技大學洪文斌（Wonbin Hong）教授入選2023級IEEE會士。洪教授開屏上天線（Antenna-on-Display， AoD）研究之先河，當選實至名歸，舉觴稱慶！

參考文獻

[1] 關凹凸，天線歷史上的亮點，The Antennas Academy 微信公眾號，2022年3月4日

[2] H. G. Booker, “Slot aerials and their relations to complementary wire aerials,” *JIEE * (London), vol. 93, pt. IIIA, no. 4, pp. 620-626, 1946.

[3] Y. Mushiake, “The input impedance of a slit antenna,” Joint Convention Record Tohoku Section of IEE and IECE of Japan , pp. 25-26, Jun. 1948.

[4] Y. Mushiake, “A report on Japanese development of antennas: From the Yagi-Uda antenna to self-complementary antennas,” IEEE Antennas Propagat. Mag. , vol. 46, no. 4, pp. 47-60, Aug. 2004.

[5] V. H. Rumsey, Frequency Independent Antennas , New York: Academic Press, Inc., 1966.