天線三大重要原理：電磁巴比涅原理、自互補(bǔ)性原理、自相似性原理

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(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院一等榮譽(yù)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(rèn)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(nèi)容?？p隙天線直接孕育了后來(lái)提出的天線三大重要原理：電磁巴比涅原理、自互補(bǔ)性原理、自相似性原理1。下面就讓筆者為大家慢慢道來(lái)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(guó)劍橋大學(xué)一等榮譽(yù)畢業(yè)生亨利·喬治·布克（HenryGeorge Booker ，1910-1988）于1946年發(fā)表2。實(shí)際上，布克于1941年就完成了將光學(xué)中的巴比涅原理擴(kuò)展到電磁學(xué)領(lǐng)域的工作。因?yàn)楫?dāng)時(shí)二戰(zhàn)戰(zhàn)事正酣，出于保密的原因，成果僅在英國(guó)電訊研究機(jī)構(gòu)內(nèi)部以機(jī)密的形式傳閱，沒法及時(shí)對(duì)外發(fā)表。二戰(zhàn)后，布克移民美國(guó)，先在康奈爾大學(xué)任教，后創(chuàng)建加州大學(xué)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(guān)系式及頻選表面，而是在太空無(wú)線電波傳播方面。我國(guó)在太空無(wú)線電波傳播方面的研究重鎮(zhèn)之一是武漢大學(xué)，布克先生是武漢大學(xué)的榮譽(yù)教授。布克有兩位著名的學(xué)生：一位是美國(guó)天眼的設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)生啟方都各自創(chuàng)建了著名的電子工程系。加州大學(xué)圣地亞哥分校電子工程系目前擁有著名的電磁學(xué)家丹尼爾·西文派珀（DanSievenpiper）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(xué)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(guó)華教授。下圖照片攝于IEEE天線與傳播年會(huì)，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(lái)自于李啟方教授。

二．電磁自互補(bǔ)性原理

電磁自互補(bǔ)性原理由日本東北大學(xué)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(lái)發(fā)表的文章中提到日本有關(guān)縫隙天線的研究在1940年代中取得進(jìn)展，日本于1945年就得到了現(xiàn)在稱之為布克關(guān)系式的關(guān)系式，這比布克1946年發(fā)表文章的時(shí)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(guān)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(xué)會(huì)克勞斯天線獎(jiǎng)，筆者正好那年是評(píng)委，遵循評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，給他打的是最高分?？赡茉S多評(píng)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(jiǎng)失之交臂。我猜IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)行政委員會(huì)感覺到蟲明康人教授未能獲獎(jiǎng)有些不妥，建議IEEE應(yīng)該確認(rèn)蟲明康人的貢獻(xiàn)。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(xiàn)場(chǎng)，照片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)，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(xué)因天線方面的貢獻(xiàn)獲得了兩項(xiàng)IEEE里程碑。另一項(xiàng)是八木與宇田天線。八木與宇田是同事關(guān)系，宇田與蟲明康人是師徒關(guān)系。近一百年來(lái)，日本東北大學(xué)在電磁與天線方面的研究成果突出，人才輩出。東北大學(xué)畢業(yè)生在日本天線界地位舉足輕重。目前，陳強(qiáng)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(guó)劍橋大學(xué)一等榮譽(yù)畢業(yè)生維克多·亨利·拉姆齊（VictorHenry 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(xué)，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(xué)伯克利分校，最后應(yīng)亨利·喬治·布克教授邀約落腳于加州大學(xué)圣地亞哥分校任教。拉姆齊教授一人推進(jìn)了兩所美國(guó)大學(xué)的天線研究。他擔(dān)任過(guò)俄亥俄州立大學(xué)天線實(shí)驗(yàn)室的主任，也擔(dān)任過(guò)伊利諾伊州香檳和厄巴納分校天線實(shí)驗(yàn)室的主任。他在加州大學(xué)伯克利分校發(fā)現(xiàn)天線實(shí)驗(yàn)研究太難，進(jìn)而再次專注于理論研究。拉姆齊受蟲明康人電磁自互補(bǔ)性原理的影響，提出了電磁自相似性原理?；陔姶抛曰パa(bǔ)性原理設(shè)計(jì)的自互補(bǔ)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(shè)計(jì)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(bǔ)天線阻抗公式稱之為蟲明康人關(guān)系式而獲得日本東北大學(xué)榮譽(yù)博士學(xué)位。下圖照片攝于俄亥俄州立大學(xué)，照片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)，照片中人是拉姆齊教授。

四．電磁學(xué)與天線研究中心由英國(guó)轉(zhuǎn)向美國(guó)

二戰(zhàn)結(jié)束前，英國(guó)無(wú)疑在國(guó)際上處在電磁學(xué)、天線學(xué)、微波學(xué)研究的領(lǐng)導(dǎo)地位。二戰(zhàn)中英國(guó)向美國(guó)轉(zhuǎn)讓的多項(xiàng)尖端研究成果（最著名的有伯明翰大學(xué)的空腔磁控管）及二戰(zhàn)后許多杰出的英國(guó)學(xué)者移民美國(guó)，直接或間接地助成了美國(guó)電磁學(xué)與天線研究方面在國(guó)際上的崛起5。

當(dāng)然，世事難料，誰(shuí)能想到幾十年后電磁學(xué)研究再次熱起是由英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院約翰·布賴恩·彭德里爵士（SirJohn Brian Pendry， 1943）引發(fā)。他帶起的超材料研究風(fēng)靡全球，成就再次令世人對(duì)英國(guó)式研究刮目相看。超材料研究始于電磁學(xué)，后來(lái)相繼在光學(xué)，聲學(xué)，力學(xué)，熱學(xué)等學(xué)科掀起熱潮。目前，超材料研究熱點(diǎn)在通信界，通信人建議利用可重構(gòu)智能超表面（ReconfigurableIntelligent Surface, RIS）主動(dòng)改善移動(dòng)通信傳播信道，提升移動(dòng)通信系統(tǒng)容量，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

英國(guó)伯明翰大學(xué)彼得·霍爾（Peter S. Hall）教授無(wú)疑是當(dāng)代世界上最著名的天線權(quán)威。他在1978年發(fā)明的疊層微帶天線是5G移動(dòng)通信中最廣泛應(yīng)用的天線。

目前，華人學(xué)者是英國(guó)電磁學(xué)、天線學(xué)、微波學(xué)研究的領(lǐng)導(dǎo)與中堅(jiān)力量。突出的代表有華為Fellow王漢陽(yáng)博士，倫敦瑪麗女王大學(xué)郝陽(yáng)院士與陳曉東教授（陳教授發(fā)明了超寬帶準(zhǔn)自互補(bǔ)天線，他的一篇有關(guān)UWB天線設(shè)計(jì)的文章谷歌引用率高達(dá)1148次，位列此類天線文章引用率第一名）、利物浦大學(xué)黃漪教授、倫敦大學(xué)學(xué)院湯建輝（KennethTong）教授、曼徹斯特大學(xué)吳志鵬教授、赫瑞-瓦特大學(xué)洪佳生教授、薩里大學(xué)高躍教授、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室盧田豐博士及剛離開英國(guó)加入香港中文大學(xué)的高式昌教授等。

五．后記

撰寫此文的想法最早閃現(xiàn)在腦海中是在準(zhǔn)備內(nèi)部講座【物理原理與天線】講稿時(shí)。動(dòng)筆的推動(dòng)力是我與束俊博士將我有關(guān)天線阻抗關(guān)系的研究6，成功地用于指導(dǎo)寬帶天線設(shè)計(jì)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(yáng)天線”系列文章的第一篇。陰陽(yáng)天線的主要思想是利用結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)陰陽(yáng)輻射體通過(guò)互耦進(jìn)行互補(bǔ)，而這與傳統(tǒng)意義上的自互補(bǔ)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(diǎn)，白色區(qū)域中的黑點(diǎn)，你中有我，我中有你，和諧共生。利用互耦使得天線設(shè)計(jì)更加靈活，但是無(wú)可避免地?zé)o法在理論上像自互補(bǔ)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(shí)驗(yàn)研究表明陰陽(yáng)天線可以在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(xué)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(lái)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(lì)是筆者天線研究生涯中一根清晰可見的主線，它順應(yīng)了系統(tǒng)級(jí)無(wú)線芯片發(fā)展的潮流，結(jié)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(jié)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(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院湯建輝教授入選2023級(jí)IEEE會(huì)士。湯教授研究微帶天線，成就斐然，當(dāng)之無(wú)愧，可喜可賀！同時(shí)也高興地得知由劉兌現(xiàn)博士提名，筆者作為推薦人之一的韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)洪文斌（WonbinHong）教授入選2023級(jí)IEEE會(huì)士。洪教授開屏上天線（Antenna-on-Display， AoD）研究之先河，當(dāng)選實(shí)至名歸，舉觴稱慶！

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)凹凸，天線歷史上的亮點(diǎn)，The Antennas Academy?微信公眾號(hào)，2022年3月4日

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編輯：黃飛