什么是天线 天线的原理及应用.pdfVIP

【Word版本下载可任意编辑】

什么是天线天线的原理及应用

天线，按维基百科的定义，是一种用来发射或接收无线

电波—或更广泛来讲—电磁波的器件。例如，在无线通信

系统中，天线被用于发射与接收射频与微波波段的电磁波。

而在我们的智能手机中，就有内置的平面倒F天线（PIFA），

用于接收和辐射射频波段在2.4GHz和5GHz的电磁波信号。

天线最终的目的是要将射频信号辐射到自由空间，这时

天线的设计就显得非常重要，但是天线设计很大程度上依赖

于所安装平台的特性，另外天线对周围环境很敏感，这些原

因导致很多情况下，天线对每个平台都是独一无二的设计。

目前光学天线是科研界的一个研究热点，研究角度与应

用场合也较为广泛，各种基于光学天线的新研究领域层出不

穷，因此本文难免会一漏万，只能起到抛砖引玉的作用。

天线原理终究是怎样

由于天线对电磁波的调控作用服从经典电磁学的根底

方程，也即麦克斯韦方程，而麦克斯韦方程在形式上具有频

率（波长）不变性，也就是说，麦克斯韦方程组并没有限制

天线的工作波长。因此，在射频波段电磁天线的诸多功能（例

如频率选择表面，相控阵雷达等），逻辑上也可以在光频段

实现。

从尺度上来看，天线的工作波长λ与天线尺度L是线性

相关的。以最简单的1/2波长偶极子天线（dipoleantenna）

为例，它由两根1/4波长单极子天线（monopoleantenna）

组成，其长度是工作波长λ的一半。对于工作900MHz的射

1/6

【Word版本下载可任意编辑】

频天线，其长度为估算为L=λ/2=（3e8m/s/900e6/s）

/2=0.167m。而工作波长在可见光的天线，其长度估算为L

=λ/（2n），这里n为天线所处的介质环境的折射率。

对于工作波长为680nm（红光）的光学天线，假设其

制备衬底为硅，则L=λ/（2n）=680nm/2/3.4=100

nm。可见，对光学天线（光频段电磁天线）的研究，首先

要解决的是要能实验制备与光波长尺度可比较，乃至比光波

长尺度还要小的微纳构造。

光学天线

近年来，随着以电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀为代表的

“至顶向下”式纳米加工技术的日趋成熟，大规模加工纳米

尺度的金属与介质构造成为可能，光频段电磁天线（简称光

学天线）的研究也随之成为研究热点。

1.亚波长尺度的光场聚焦：与射频波段的偶极子天线相

类比，光学天线可以将自由空间中的光频电磁波会聚于天线

表面亚波长尺度的空间内，极大提高了光子的态密度，因此

被广泛应用于突破衍射极限，并增强光与物质的相互作用。

2.光吸收与光热转换：制备光学天线的材料与制备微波

波段电磁天线的材料一样，可以是金，银，铝，铜等常见金

属。然而，金属材料在光频段已经不再像微波波段那样可以

等效为完纯导体，而是对电磁波具有巨大损耗，也即材料折

射率的虚部相对实部不再是无穷大。这一特性使得光学天线

对光的损耗增大，可以用作光学吸收器（absorber）。而光

学天线吸收的光能最后被转化成热能，表达为温度的上升。

该特性被用于热红外探测器，太阳能，以及肿瘤的治疗。

2/6

【Word版本下载可任意编辑】

3.光学滤波，偏振选择与相位操控：当光学天线被制备

成阵列，又有了诸多新奇而有趣的特性。前面说过，在微波

波段，有频率选择表面和相控阵雷达的概念。而在光频段，

同样可以利用光学天线阵列实现光波的滤波，偏振选择，以

及相位操控。

例如，必威体育精装版一期的Science封面文章，就是利用基于光

学天线阵列的光学超表面，