[科普中国]-表面波天线

表面波天线是指利用结构上的变化来截断正在传播的表面波，使其在不连续处产生功率辐射的天线。表面波是沿两种媒质的交界面传播、而在垂直于交界面方向的场是按指数律递减的电磁波，其传播速度小于自由空间的波速。传输表面波的结构是一种慢波结构，所以表面波天线又称慢波天线。

特性和参数基本特性两种不同材料的介质交界面、周期性结构的开放边界、分层平面和柱状分层结构的表面常常都会产生表面波。出于对表面波进行控制并设计新型表面波天线的目的，对于表面波的参数特性需要有充分的了解，例如表面波沿着导波阻抗面在传播方向上的波长等。这一节将主要介绍表面波在天线设计方面的相关参数的定义和它们之间相互关系的公式，并简单介绍当知道导波面的阻抗的情况下如何计算这些参数，最后还介绍了一种通过测量来确定这些参数的方法。

相关参数在球面和圆柱弧面情况下，由于表面波不再完全被束缚在表面上，表面波的分析计算变的复杂。由于天线的曲率半径通常相对比较大，为了方便我们一般将这种情况近似当作平面表面。

参数分析表面波可以被认为是在一种开放波导中传输的波。在传统闭合波导中，边界值问题通常简单的由横截面的谐振条件确定，这需要横贯整个波导的截面参数都是等值的根据表面波阻抗的知识解决了表面波传播的边界值问题。这可以帮助我们计算以下两种情况下的阻抗：有金属覆盖的介质平板和波纹金属平板。

特点表面波天线的特点是能沿金属面平装。从电性能上说，它能在较宽的频带内保持一定的方向性和输入阻抗，且具有中等增益（通常小于20分贝）。在方向图的控制上，主波束可以工作在端射方向，也可以工作在边射方向。当表面波天线工作在微波波段的低端且用作地面天线时，往往采用人工介质结构,它比固态介质轻得多;介质覆盖的金属面通常用作飞机或导弹上的平装天线。1

发展历程在现代无线通信与信息技术蓬勃发展的社会，高速信传技术的广泛应用给人们的生活和社会的进步带来了深远的影响。无线通信系统以其成本低、受地理环境的约束小、支持用户的移动性等诸多优点，在整个通信系统中占有举足轻重的地位。而天线作为无线通信系统中用来发送和接受电磁波能量的重要组成部分，是移动通信、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等无线通信系统中不可缺少的设备。天线的发明可以追溯到 100 多年前，当时任教于德国卡尔斯洛工学院的物理学教授赫兹设计了第一个天线，希望可以以此来验证电磁波的存在。其发射天线是两根 30cm 长的金属杆，杆的终端连接两块 40cm 见方的金属板，采用火花放电激励电磁波，接收天线是环天线。以现在的天线系统看，这种接上金属板的金属杆是在偶极子天线的终端加载，而环天线则是一种谐振方环。到 1901 年，意大利波隆的物理学家马可尼将赫兹的天线系统改为大型天线并加上了调谐电路，实现了首个跨越大西洋通信的远洋天线。这是第一副真正付诸实用的单极天线，并实现了首次越洋通信，开创了无线电技术的新纪元。早期无线电主要应用在长波远洋通信，自 1925 年后，中、长波无线电广播和通信也开始实际应用，而天线作为实现无线电应用的关键系统，顺应着通信、广播等无线电应用系统的发展需要而不断的发展。到 1940 年前后，有关长、中、短波线状天线的理论已经基本成熟，主要的天线形式一直沿用至今。第二次世界大战中，对雷达和高效通信系统的需求使得对天线的研究进入了新的频段，促进了微波天线的发展，许多新型小天线被设计并且提供较高的指向性。第二次世界大战后的 30 多年是无线电电子学飞速发展的时代，特别是人类进入太空时代后，对天线提出了许多新的要求，出现了许多新型天线，组成了庞大的天线家族，并突显出线天线、面天线及阵列天线这三条平行的发展轨迹。随着现代科学技术的发展，各种新型先进的飞行器上一般都有几副甚至十几副天线，但是飞行器的空气动力学特性是一个需要重点分析的因素。早期安装在飞行器上的天线通常需要安装在外部舱体等装置上，这些为了安装天线而增加的飞行器结构对于天线的动力和隐身等方面的设计产生了极大的影响。而且为了保护天线不受气流影响，还要用更大的天线罩进行保护，这些都严重影响了飞行器上天线的应用。为了降低天线的影响，希望三维空间的“体型”天线结构变为二维平面的“表面型”天线，本文所研究的表面波天线，以其低剖面、小体积、易于平装等特点特别适用飞行器天线。例如其航标天线和方位角扫描天线都可以由表面波天线来实现。2

研究现状除了常用的 TEM 传输线及封闭的金属波导之外，还有一类开放结构也可以用来引导电磁波传播。这类开放结构可以引导一种波型，这种波型的特征是场在结构的横向方向随着离开表面的距离呈指数衰减，而沿着结构的轴向规律传播，这种波型被称为表面波，而这类引导表面波的结构称为表面波波导。电磁波沿着这个表面波波导的表面传播到波导界面的终端最后辐射出去，这样就形成了一个天线结构，这种结构的天线就称为表面波天线。这种天线结构的辐射原理和喇叭天线等口径天线非常类似，所以表面波天线也可以看作是一种口径天线。表面波可能出现在各种不同的介质的交界面上，在有开放边界的周期结构和分层平面的表面也可能会出现。表面波可以分为两大类：一类是快波（或称漏波），电波沿导波表面传播的相速大于光速，这种导波系统是一路传播一路辐射，另外一类是慢波（或称作聚波），电波沿导波表面传播的相速小于光速，这种导波系统在表面阻抗为常数的平面上，慢波只能携带能量沿表面传播而不辐射，而仅在系统表面突然断绝、突然接入另一阻抗面或有渐变的表面阻抗时才发生辐射。假使截断的过程是缓慢的，也就是说不连续点的过渡是缓慢的，那么辐射的能量主要是端射式的（例如，横截面积逐渐收小的介质棒天线）。假使截断的过程是突然的，那么就会产生强大的侧射辐射。而表面波天线就是使导波系统产生突然的弯折或者其他不连续结构，这样导波系统上的一个或几个慢波在遇到表面阻抗变化时产生辐射，也就是产生天线效应。表面波天线的方向性图除了由表面阻抗不连续产生连续频谱引起辐射以外，还应考虑由激励源直接辐射的作用，这种辐射也包括导波系统的绕射作用, 即表面波天线的方向图分别可以由改变天线表面的阻抗或分布激励源的位置予以控制。利用调制的表面阻抗可以产生沿传播方向有一定的振幅和相位分布的行波，这些沿传播其振幅和相位均改变的行波可以用一定的频谱来表征。每一个波产生一个方向性图，总的方向性图是所有这些波的个别方向性图的总和，所以调制的表面阻抗和天线的方向性图之间有一定的关系。最简单的表面波天线由可以由馈源、传播表面和导体屏三个部份组成， 馈源的结构多种多样，一般情况下可以使用喇叭、隙缝或波导开口等,馈源激励出表面波后在传播表面上传输，最后在终端辐射出去，形成表面波天线。导波表面可以是带有介质复层的金属面，也可以是刻有沟纹的金属面或其它截断形式的金属面，即形成渐变的或者突然截断的表面阻抗。传播表面下面的导体屏起着其他类型天线结构中地面的作用，即起着使天线只在传播表面的上方和前方辐射能量的作用。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学