天线三大重要原理：电磁巴比涅原理、自互补性原理、自相似性原理

引言

天线发展史上三大重要原理均源自于缝隙天线的发明。缝隙天线是由英国伦敦帝国学院一等荣誉毕业生艾伦布鲁姆林(Alan Blumlein，1903-1942) 于1938年为电视广播而发明。笔者认为在天线历史上，缝隙天线与天线的祖师爷赫兹1886年发明的偶极子天线具有同等的地位。缝隙天线不仅仅增加了天线作为“器”的类型，也极大地丰富了天线“道”的内容。缝隙天线直接孕育了后来提出的天线三大重要原理：电磁巴比涅原理、自互补性原理、自相似性原理1。下面就让笔者为大家慢慢道来三大原理背后一些鲜为人知的故事。

一．电磁巴比涅原理

电磁巴比涅原理由英国剑桥大学一等荣誉毕业生亨利·乔治·布克（HenryGeorge Booker ，1910-1988）于1946年发表2。实际上，布克于1941年就完成了将光学中的巴比涅原理扩展到电磁学领域的工作。因为当时二战战事正酣，出于保密的原因，成果仅在英国电讯研究机构内部以机密的形式传阅，没法及时对外发表。二战后，布克移民美国，先在康奈尔大学任教，后创建加州大学圣地亚哥分校电子工程系。布克最著名的工作并不在电磁巴比涅原理与布克关系式及频选表面，而是在太空无线电波传播方面。我国在太空无线电波传播方面的研究重镇之一是武汉大学，布克先生是武汉大学的荣誉教授。布克有两位著名的学生：一位是美国天眼的设计师威廉·埃德温·戈登博士，另一位是著名天线专家，香港城市大学电子工程系创系主任李启方教授。有趣的是老师布克与学生启方都各自创建了著名的电子工程系。加州大学圣地亚哥分校电子工程系目前拥有著名的电磁学家丹尼尔·西文派珀（DanSievenpiper）教授与微波集成电路与天线专家加布里埃尔·雷贝兹（Gabriel M. Rebeiz）教授。香港城市大学电子工程系目前拥有著名的天线专家陆贵文院士、陈志豪教授、梁国华教授。下图照片摄于IEEE天线与传播年会，照片中正面者是李启方教授，穿黑色西装者是布克教授，照片来自于李启方教授。

二．电磁自互补性原理

电磁自互补性原理由日本东北大学特别研究生虫明康人（Yasuto Mushiake, 1921-2020）于1948年发表3。虫明康人教授在后来发表的文章中提到日本有关缝隙天线的研究在1940年代中取得进展，日本于1945年就得到了现在称之为布克关系式的关系式，这比布克1946年发表文章的时间要早4。虫明康人教授可能没注意到布克在他的文章中明确指出相关的工作在1941年就完成了。虫明康人教授曾被提名IEEE天线与传播学会克劳斯天线奖，笔者正好那年是评委，遵循评分标准，给他打的是最高分。可能许多评委并不了解虫明康人教授工作的重要性，所以虫明康人教授与奖失之交臂。我猜IEEE天线与传播学会行政委员会感觉到虫明康人教授未能获奖有些不妥，建议IEEE应该确认虫明康人的贡献。IEEE接纳建议，直接颁授IEEE 里程碑。下图照片摄于2017年7月27日IEEE里程碑颁授现场，照片来自于网络，定格在IEEE代表人罗斯斯通（Ross Stone）博士向虫明康人教授颁授里程碑的一瞬间。至此，日本东北大学因天线方面的贡献获得了两项IEEE里程碑。另一项是八木与宇田天线。八木与宇田是同事关系，宇田与虫明康人是师徒关系。近一百年来，日本东北大学在电磁与天线方面的研究成果突出，人才辈出。东北大学毕业生在日本天线界地位举足轻重。目前，陈强院士是该校世界上著名的电磁工程研究室主任。

三．电磁自相似性原理

电磁自相似性原理由英国剑桥大学一等荣誉毕业生维克多·亨利·拉姆齐（VictorHenry Rumsey，1919-2015）于1954年提出5。拉姆齐于1950年代初先在俄亥俄州立大学，接着1954至1957年在伊利诺伊州香槟和厄巴纳分校，之后去了加州大学伯克利分校，最后应亨利·乔治·布克教授邀约落脚于加州大学圣地亚哥分校任教。拉姆齐教授一人推进了两所美国大学的天线研究。他担任过俄亥俄州立大学天线实验室的主任，也担任过伊利诺伊州香槟和厄巴纳分校天线实验室的主任。他在加州大学伯克利分校发现天线实验研究太难，进而再次专注于理论研究。拉姆齐受虫明康人电磁自互补性原理的影响，提出了电磁自相似性原理。基于电磁自互补性原理设计的自互补天线，理论上可以做到阻抗不频变。基于电磁自相似性原理设计的自相似天线，理论上可以做到不仅阻抗不频变，而且也可以做到方向图不频变。拉姆齐因率先将自互补天线阻抗公式称之为虫明康人关系式而获得日本东北大学荣誉博士学位。下图照片摄于俄亥俄州立大学，照片来自于网络，照片中人是拉姆齐教授。

四．电磁学与天线研究中心由英国转向美国

二战结束前，英国无疑在国际上处在电磁学、天线学、微波学研究的领导地位。二战中英国向美国转让的多项尖端研究成果（最著名的有伯明翰大学的空腔磁控管）及二战后许多杰出的英国学者移民美国，直接或间接地助成了美国电磁学与天线研究方面在国际上的崛起5。

当然，世事难料，谁能想到几十年后电磁学研究再次热起是由英国伦敦帝国学院约翰·布赖恩·彭德里爵士（SirJohn Brian Pendry， 1943）引发。他带起的超材料研究风靡全球，成就再次令世人对英国式研究刮目相看。超材料研究始于电磁学，后来相继在光学，声学，力学，热学等学科掀起热潮。目前，超材料研究热点在通信界，通信人建议利用可重构智能超表面（ReconfigurableIntelligent Surface, RIS）主动改善移动通信传播信道，提升移动通信系统容量，增强用户体验。

英国伯明翰大学彼得·霍尔（Peter S. Hall）教授无疑是当代世界上最著名的天线权威。他在1978年发明的叠层微带天线是5G移动通信中最广泛应用的天线。

目前，华人学者是英国电磁学、天线学、微波学研究的领导与中坚力量。突出的代表有华为Fellow王汉阳博士，伦敦玛丽女王大学郝阳院士与陈晓东教授（陈教授发明了超宽带准自互补天线，他的一篇有关UWB天线设计的文章谷歌引用率高达1148次，位列此类天线文章引用率第一名）、利物浦大学黄漪教授、伦敦大学学院汤建辉（KennethTong）教授、曼彻斯特大学吴志鹏教授、赫瑞-瓦特大学洪佳生教授、萨里大学高跃教授、英国国家物理实验室卢田丰博士及刚离开英国加入香港中文大学的高式昌教授等。

五．后记

撰写此文的想法最早闪现在脑海中是在准备内部讲座【物理原理与天线】讲稿时。动笔的推动力是我与束俊博士将我有关天线阻抗关系的研究6，成功地用于指导宽带天线设计7。2022年11月正式发表在IEEE天线与传播汇刊上的文章7是我们“阴阳天线”系列文章的第一篇。阴阳天线的主要思想是利用结构中的两个阴阳辐射体通过互耦进行互补，而这与传统意义上的自互补天线不存在互耦是完全不同的。互耦就像太极图中黑色区域的白点，白色区域中的黑点，你中有我，我中有你，和谐共生。利用互耦使得天线设计更加灵活，但是无可避免地无法在理论上像自互补天线那样做到天线阻抗不随工作频率变化而变化，也做不到像自相似天线那样不仅阻抗而且方向图皆不随频率变化而变化。好在理论仿真与实验研究表明阴阳天线可以在很宽的频带内实现良好的阻抗匹配与方向图保形。

主模与互耦是目前笔者与学生们天线研究的主旋律，它有望奏出片上天线（Antenna-on-Chip，AoC）研究之凯歌，为未来6G或XG太赫兹频段集成天线研发铺平道路。差分与单端口激励是笔者天线研究生涯中一根清晰可见的主线，它顺应了系统级无线芯片发展的潮流，结出了封装天线（Antenna-in-Package，AiP）之硕果，为毫米波5G与超高频IoT提供了良好的天线解决方案。

行文结束之际，欣然获悉由李启方教授提名，笔者作为推荐人之一的英国伦敦大学学院汤建辉教授入选2023级IEEE会士。汤教授研究微带天线，成就斐然，当之无愧，可喜可贺！同时也高兴地得知由刘兑现博士提名，笔者作为推荐人之一的韩国浦项科技大学洪文斌（WonbinHong）教授入选2023级IEEE会士。洪教授开屏上天线（Antenna-on-Display， AoD）研究之先河，当选实至名归，举觞称庆！

参考文献

[1] 关凹凸，天线历史上的亮点，The Antennas Academy 微信公众号，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 RecordTohoku 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 antennato self-complementary antennas,” IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 46, no. 4, pp. 47-60, Aug. 2004.

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

[6] Y. P.Zhang, “Impedance relations for differential antennas and single-ended counterparts,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 70, no. 2, pp. 953-959, Feb. 2022.

[7] J. Shu, Y. P. Zhang, “An impedance relationand its application in broadband antenna design,” IEEE Trans. AntennasPropagat., vol. 70, no. 11, pp. 10286-10293, Nov. 2022.  

编辑：黄飞