為紀(jì)念微帶天線發(fā)明五十周年而作

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。

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(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 ^[1] 。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 ^[2] ，Gutton和Boissinot于1955年申報(bào)了第一項(xiàng)微帶天線專利 ^[3] ；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 ^[4] 。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 ^[5] 。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 ^[6] 。圖1所示是Byron提出的印發(fā)電路天線 ^[7] 。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 ^[8-11] ，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) ^[12-14] 。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 ^[8-11] 。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 ^[10,11] 。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 ^{[8, 9]} 。

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。可以好不夸張地講，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)^[15]，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^[16] ，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) ^[17]。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 ^[18] 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 ^[19] 。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。

參考文獻(xiàn)

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(fā)明者Grieg及Engelmann當(dāng)時(shí)同在一家實(shí)驗(yàn)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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