為紀念微帶天線發明五十周年而作

編者按：50年前的今天，學者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”的學術報告。據查該份報告是天線史上最早公開發表的有關微帶貼片天線的工作。為紀念微帶天線發明五十周年，微波射頻網編輯部特邀張躍平教授，撰寫了微帶天線發明背后的故事，以饗讀者。張躍平教授是IEEE Fellow，IEEE天線與傳播學會杰出講師，IEEE天線與傳播學會謝昆諾夫論文獎與克勞斯天線獎雙料得主。

引言

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，姿態共形、美觀、優雅。半世紀前才露尖尖角，初時秉性欠佳，引無數園丁辛勤培育、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、哲人遠矣，逐觸動筆者動了念頭，嘗試著從有關微帶天線的海量文獻之中，梳理出自認為重要的工作，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

微帶由位于介質基片上下兩面的金屬線與接地板構成，作為一類新型傳輸線由D. D. Grieg和H. F. Engelmann于1952年發表 ^[1] 。微帶是一種開放式結構，除支撐準TEM模式傳輸以外，輻射是不可避免的, 所以它可以設計成為天線。雖然人們認為G. Deschamps和W. Sichak于1953年發表了第一篇微帶天線論文 ^[2] ，Gutton和Boissinot于1955年申報了第一項微帶天線專利 ^[3] ；但是仔細閱讀論文和專利后，人們會發現其實兩者都沒有給出我們今天所認知的微帶天線結構及輻射機理 ^[4] 。論文標題中出現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強化微帶線的輻射。此外，E. J. Denlinger于1969年發表了矩形和圓形微帶諧振器輻射的研究成果，認為矩形和圓形微帶諧振器產生的輻射是由導體薄片不連續所致，并且輻射會隨介質基片厚度增加而增加，隨介質基片介電常數增加而減少 ^[5] 。Denlinger的工作旨在降低輻射，以便達到提高諧振器品質因子Q值的目的。今天我們想，假如當年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構是由E. V. Byron于1970年發表 ^[6] 。圖1所示是Byron提出的印發電路天線 ^[7] 。它由帶導體接地面的介質基片上印發圓形導體薄片經兩根同軸電纜或帶狀線饋電形成。觀察它的結構及給出的圓形導體薄片上的電流流向、近區雜散電場及遠區輻射電場的分布，可以認定它就是今天我們所講的圓形微帶天線，更是最早公開發表的微帶天線，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年間發表的有關論文 ^[8-11] ，尤其是Munson的論文奠定了微帶天線的基礎，推動了微帶天線產業的興起，因而也為他贏得了微帶天線發明者的美譽 ^[12-14] 。圖2是根據Munson與Howell分別發表的矩形微帶天線輻射機理繪制的電場示意圖 ^[8-11] 。如圖所示矩形導體薄片前、后邊緣與導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，二者在遠場區的作用互相抵消，因此矩形微帶天線的輻射不會由此兩個邊緣的電場產生，這兩個邊緣因而稱之為矩形微帶天線非輻射邊。矩形導體薄片左、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場區的作用互相加強，相反兩個垂直電場分量在遠場區的作用互相抵消，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據此認知，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 ^[10,11] 。Howell通過與Munson私下交流開始了從事微帶天線研究與設計。Howell利用自己摸索出的設計方法成功地設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，并發表了微帶天線最原始的測試數據。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、周邊為磁壁及介質加載的諧振腔體最初想法，并據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 ^{[8, 9]} 。

圖2、微帶天線輻射機理示意圖

Byron，Munson和Howell上述有關微帶天線的工作，向天線界吹入了一股清新之風，很快引起了天線界的關注，從此拉開了近半個世紀以來天線領域一部熱門天線大戲的序幕。可以好不夸張地講，縱觀整個天線發展史，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行研究與開發，并獲得廣泛應用。追根溯源我們除了肯定上述先驅人物創新性貢獻以外，還必須要提到早期對微帶天線發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召開了專門交流微帶天線研究與開發心得的國際研討會^[15]，吸引了在微帶天線研究與開發中做已作出了開拓性貢獻的許多天線界人物，包括美國的羅遠祉（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^[16] ，刊登了兩篇綜述性文章及多篇微帶天線理分析與設計的論文。其中由K.R. Carver與J. W. Mink合作撰寫的微帶天線技術綜述性文章全面而細致地總結了從1970年到1980年10年來微帶天線技術的發展及所取得的成果，指明了微帶天線技術基于當時的考量需要進一步研究與發展的方向。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典文獻 ^[17]。而由W. F. Richards, 羅遠祉, D. D. Harrison撰寫的微帶天線理分析的論文 ^[18] 進一步完善了羅遠祉，D. Solomon, W. F. Richards于1979年發表的腔模理論 ^[19] 。羅遠祉等人的工作為認識及深入理解微帶天線工作機理及分析與設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！

結束語

至此 （1981年1月），微帶天線確立了在天線領域內的重要地位！隨后，微帶天線的研發重點也就自然地轉移到了三維全波分析、設計優化、性能改進、拓展應用等新的方向。至今，微帶天線依然獨領風騷、生機勃勃。展望未來，微帶天線必將會在毫米波/THz甚大規模天線集成（Very Large Scale Antenna Integration, 縮寫為VLSAI）系統中占有一席之地! 我預測VLSAI將會是未來天線產業的主戰場，VLSAI將會使封裝域或芯片域或二域協同集成天線技術（AiP，AoC，AiP + AoC）得到更大的發展, VLSAI也將會是新一代天線人建功立業、施展才能的新天地。

參考文獻

1.      D. D.Grieg, H.F.Engelmann, “Microstrip-A new transmission technique for the kilomegacycle range,” Proceedings of the IRE, vol.40, no.12, pp.1644–1650, December1952.
2.      G. Deschamps and W. Sichak, “Microstrip microwave antennas,” in Proc. Third Symp. on USAF Antenna Research and Development Program, 18-22 October 1953. [作者注：Deschamps與微帶傳輸線發明者Grieg及Engelmann當時同在一家實驗室工作，Sichak的名字是后來手寫加上去的。]
3.      H. Gutton, G. Baissinot, “Flat aerial for ultra-high frequencies,” French Patent no. 703113, 1955.
4.      P. S. Hall, “Keeping a low profile: A personal history of the microstrip antenna,”in Proc. Loughborough Antennas & Propagation Conference, 16-17 November 2009.https://www.e-fermat.org/files/news_views/1536ba4b6003ad.pdf
5.      E. J. Denlinger, “Radiation from microstrip radiators,” IEEE Trans Microw. Theory Technol., vol. 17, no. 4, pp. 235-236, April 1969.
6.      E. V. Byron, “A new flush mounted antenna for phased-array applications,” in Phased-Array Antenna Symp. Digest, Polytechnic Institute of Brooklyn, June 1970
7.      T. C. Cheston, E. V. Byron, G. J. Laughlin, “Very wide-band phased arrays,”IEEE AP-S Intl. Symp. Digest, pp. 226–232, September 1970.
8.      J. Q. Howell, “Microstrip antennas,”in IEEE AP-S Intl. Symp. Digest, pp. 177–180,December 1972.
9.      J. Q. Howell, “Microstrip antennas,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.23, no. 1, pp.90–93,January 1975.
10.    R. E. Munson, “Microstrip phased array antennas,” in Proc. Twenty-Second Symposium on USAF Antenna Research and Development Program, October 1972.
11.   R. E. Munson, “Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.22, no. 1, pp.74–78,January 1974.
12.   D. R. Jackson, “Introduction to microstrip antennas,” Short course at IEEE AP-S Intl. Symp.,13-17 July 2013. http://courses.egr.uh.edu/ECE/ECE6345/Short%20Course/Introduction%20to%20Microstrip%20Antennas.pdf
13.   K. F. Lee, “A personal overview of the development of microstrip patch antennas,” inIEEE AP-S Intl. Symp., 26 June - 1 July 2016.
https://www.e-fermat.org/files/communication/Lee-Comm-APS2016-Vol18-Nov._Dec.-002%20A%20Personal%20Overview%20of%20the.........pdf
14.   J. T. Bernhard, P. E. Mayes, D. Schaubert, R. J. Mailloux,“A Commemoration of Deschamps’and Sichak’s ‘Microstrip Microwave Antennas’: 50 Years of Development, Divergence, and New Directions,” in Proc. of the 2003 Antenna Applications Symp., pp.189–230, September 2003.
15.   Workshop on Printed Circuit Antenna Technologyheld at Las Cruces, New Mexico on 17-19 October 1979 https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a104404.pdf
16.   IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.29, no. 1, pp. 1–139, January 1981.
17.   K.R. Carver, J. W. Mink, “Microstrip antenna technology,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.29, no. 1, pp. 2–24, January 1981.
18.   W. F. Richards, Y. T. Lo, D. D. Harrison, “An improved theory for microstrip antennas and applications,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.29, no. 1, pp. 38–46, January 1981.
19.   Y. T. Lo, D. Solomon, W. F. Richards, “Theory and experiment on microstrip antennas,”
IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.27, no. 2, pp. 137–145, March 1979.

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