微带天线简史 --- 纪念微带天线发明五十周年

2020-06-01 来源:微波射频网作者:张跃平教授 我要评论(0) 字号:

为纪念微带天线发明五十周年而作

编者按:50年前的今天,学者E. V. Byron 在美国纽约Polytechnic Institute of Brooklyn 召开的相控阵天线研讨会上,宣读了题目为“A new flush mounted antenna for phased-array applications”的学术报告。据查该份报告是天线史上最早公开发表的有关微带贴片天线的工作。为纪念微带天线发明五十周年,微波射频网编辑部特邀张跃平教授,撰写了微带天线发明背后的故事,以飨读者。张跃平教授是IEEE Fellow,IEEE天线与传播学会杰出讲师,IEEE天线与传播学会谢昆诺夫论文奖与克劳斯天线奖双料得主。

引言

微带天线是天坛中特别令人瞩目的一朵奇葩。它体格方圆、端庄、低调,姿态共形、美观、优雅。半世纪前才露尖尖角,初时秉性欠佳,引无数园丁辛勤培育、精心改良,如今已辉煌绽放,荣耀天地人间。唯感叹时光呼啸、岁月流逝、斯人故去、哲人远矣,逐触动笔者动了念头,尝试着从有关微带天线的海量文献之中,梳理出自认为重要的工作,将其分门别类引述,并加以评论,汇集成一份演义。一则用于自己著书立说,二则为贡献者歌功颂德,三则供感兴趣者阅读与参考。今天公开的是这份演义中追根溯源部分,冠名为微带天线简史,欢迎大家批评指正。

追根溯源

微带由位于介质基片上下两面的金属线与接地板构成,作为一类新型传输线由D. D. Grieg和H. F. Engelmann于1952年发表 [1] 。微带是一种开放式结构,除支撑准TEM模式传输以外,辐射是不可避免的, 所以它可以设计成为天线。虽然人们认为G. Deschamps和W. Sichak于1953年发表了第一篇微带天线论文 [2] ,Gutton和Boissinot于1955年申报了第一项微带天线专利 [3] ;但是仔细阅读论文和专利后,人们会发现其实两者都没有给出我们今天所认知的微带天线结构及辐射机理 [4] 。论文标题中出现的微带天线实际上在文中是指微带馈电的天线,专利中的微带天线实际上是故意在微带线上引入不连续强化微带线的辐射。此外,E. J. Denlinger于1969年发表了矩形和圆形微带谐振器辐射的研究成果,认为矩形和圆形微带谐振器产生的辐射是由导体薄片不连续所致,并且辐射会随介质基片厚度增加而增加,随介质基片介电常数增加而减少 [5] 。Denlinger的工作旨在降低辐射,以便达到提高谐振器品质因子Q值的目的。今天我们想,假如当年Denlinger不是想法抑制微带谐振器的辐射,而是故意强化之,那么微带天线发明者的桂冠就会戴在这位微波界人士的头上。

事实上,今天广为人知的微带天线结构是由E. V. Byron于1970年发表 [6] 。图1所示是Byron提出的印发电路天线 [7] 。它由带导体接地面的介质基片上印发圆形导体薄片经两根同轴电缆或带状线馈电形成。观察它的结构及给出的圆形导体薄片上的电流流向、近区杂散电场及远区辐射电场的分布,可以认定它就是今天我们所讲的圆形微带天线,更是最早公开发表的微带天线,而且还是我本人所推崇的差分式微带天线。

世界上第一个公开发表的微带天线示意图

图1、世界上第一个公开发表的微带天线示意图

微带天线辐射机理见诸于R. E. Munson与J. Q. Howell分别在1972年至1974年间发表的有关论文 [8-11] ,尤其是Munson的论文奠定了微带天线的基础,推动了微带天线产业的兴起,因而也为他赢得了微带天线发明者的美誉 [12-14] 。图2是根据Munson与Howell分别发表的矩形微带天线辐射机理绘制的电场示意图 [8-11] 。如图所示矩形导体薄片前、后边缘与导体接地面之间仅存在着一半向上及一半向下的电场垂直分量,二者在远场区的作用互相抵消,因此矩形微带天线的辐射不会由此两个边缘的电场产生,这两个边缘因而称之为矩形微带天线非辐射边。矩形导体薄片左、右边缘上的电场可以分别分解为两个方向相同的水平分量及两个方向相反的垂直分量。两个水平电场分量在远场区的作用互相加强,相反两个垂直电场分量在远场区的作用互相抵消,因此矩形微带天线的辐射是由这两个边缘的电场水平分量产生,这两个边缘也就称之为辐射边。Munson将两个辐射边等效为两个水平放置的宽为a 及长为t 的缝隙天线,而这两个缝隙天线由宽为a 长为b 的微带线相连接形成了一个2单元的缝隙阵向上半空辐射。Munson据此认知,除了正确地阐述了矩形微带天线的辐射机理以外,还建立了用于矩形微带天线设计的传输线模型。此外,Munson也提出并实验验证了基于微带天线的平面集成式电扫描相控阵概念 [10,11] 。Howell通过与Munson私下交流开始了从事微带天线研究与设计。Howell利用自己摸索出的设计方法成功地设计了单馈点单线极化矩形、方形及圆形微带天线、双馈点圆极化方形及圆形微带天线,并发表了微带天线最原始的测试数据。更为重要的是Howell也提出了可以将微带天线等效为一个上下为电壁、周边为磁壁及介质加载的谐振腔体最初想法,并据此计算了各种微带天线的主模及高阶模式的谐振频率,取得了令人满意的结果。Howell也率先试验探索了微带天线高阶模式的辐射特性及两个微带天线之间的互耦程度 [8, 9]

微带天线辐射机理示意图

微带天线辐射机理示意图

图2、微带天线辐射机理示意图

Byron,Munson和Howell上述有关微带天线的工作,向天线界吹入了一股清新之风,很快引起了天线界的关注,从此拉开了近半个世纪以来天线领域一部热门天线大戏的序幕。可以好不夸张地讲,纵观整个天线发展史,还没有看到有哪一种天线与其争锋,能够吸引到如此之多的人力与物力对其进行研究与开发,并获得广泛应用。追根溯源我们除了肯定上述先驱人物创新性贡献以外,还必须要提到早期对微带天线发展起到推波助澜的一次会议及一本专辑。1979年10月在美国新墨西哥州立大学召开了专门交流微带天线研究与开发心得的国际研讨会[15],吸引了在微带天线研究与开发中做已作出了开拓性贡献的许多天线界人物,包括美国的罗远祉(Y. T. Lo), N. G. Alexopoulos, T. Itoh, 英国的J. R. James, P. S. Hall 法国的G. Dubost, 瑞典的A. G. Derneryd等多位学者与会。1981年1月IEEE天线与传播汇刊出版了微带天线的专辑[16] ,刊登了两篇综述性文章及多篇微带天线理分析与设计的论文。其中由K.R. Carver与J. W. Mink合作撰写的微带天线技术综述性文章全面而细致地总结了从1970年到1980年10年来微带天线技术的发展及所取得的成果,指明了微带天线技术基于当时的考量需要进一步研究与发展的方向。文章自刊出以来,深受读者喜爱,一直高居微带天线方面阅读量、引用率双第一的宝座,成为了一篇名副其实的经典文献 [17]。而由W. F. Richards, 罗远祉, D. D. Harrison撰写的微带天线理分析的论文 [18] 进一步完善了罗远祉,D. Solomon, W. F. Richards于1979年发表的腔模理论 [19] 。罗远祉等人的工作为认识及深入理解微带天线工作机理及分析与设计微带天线提供了强有力的理论支撑,是一项教科书级别的成果,我称之为“道”层次上的不朽杰作!

结束语

至此 (1981年1月),微带天线确立了在天线领域内的重要地位!随后,微带天线的研发重点也就自然地转移到了三维全波分析、设计优化、性能改进、拓展应用等新的方向。至今,微带天线依然独领风骚、生机勃勃。展望未来,微带天线必将会在毫米波/THz甚大规模天线集成(Very Large Scale Antenna Integration, 缩写为VLSAI)系统中占有一席之地! 我预测VLSAI将会是未来天线产业的主战场,VLSAI将会使封装域或芯片域或二域协同集成天线技术(AiP,AoC,AiP + AoC)得到更大的发展, VLSAI也将会是新一代天线人建功立业、施展才能的新天地。

参考文献

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与微带传输线发明者Grieg及Engelmann当时同在一家实验室工作,Sichak的名字是后来手写加上去的。]
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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