天線中的仿生學

李長源

（中國電子科技集團公司第二十研究所,西安 710068）

0 引言

在日常生活中人們注意到，（其實地球人都知道）無論是?；€是陸基，也不管是機動的還是固定，所有的無線電設備或復合探測頭，其天線都被設計在設備的最高處，同時當多個天線要完成同一功能且設備上層空間允許時，天線均安裝在設備的最寬處，不僅如此，當電子設備還需要探測更遠的目標時，天線口徑面積與波長之比一般設計的都比較大，從而可以獲得較大的天線增益，通過分析，其實這些知識和理念都是人們在自然界中向動物們學的，因為只有站的高，才能看的遠，也只有睜大眼睛，才能看的清。下面我們將天線中所具有的一些特性與動物中所具有的一些特征進行分析和比較，看看是否具有一定的對應關(guān)系，同時該文也在此聲明，在下面的分析中，有一些分析是形像意不像；而另一些分析則是意像形不像。如有勉強，硬是相關(guān)，死板硬套，敬請諒解。

1 分析與比較

在下面進行分析和比較時，為了對天線和動物們所具有的某些特性以及它們的部分表現(xiàn)進行一對一的分析與比較，現(xiàn)規(guī)定天線的特征標記用A表示，動物的特征標記用B表示，通過這樣的對應比較，來分析他們的工作原理和生理特征，可以獲得更多的知識和理念。

2 對應關(guān)系

1A許多電子設備的天線為機械掃描天線，在時域內(nèi)，機掃天線往往由于轉(zhuǎn)動慣量大，轉(zhuǎn)動速度往往有限；

1B當動物需要觀察非前方目標時，動物也可以通過轉(zhuǎn)脖子、轉(zhuǎn)身體和轉(zhuǎn)耳朵的方式來實現(xiàn)，但速度也是有限的。

2A雷達及某些電子設備中有相控陣天線，在時域內(nèi)電掃比機掃快的多；

2B動物們轉(zhuǎn)動眼睛的速度比轉(zhuǎn)動脖子的速度要快，比轉(zhuǎn)動身體的速度更快。

3A雷達若使用機電掃一體天線，則雷達具有效率高，搜跟速度快的特點；

3B動物們?nèi)舨捎枚嗥鞴偻瑫r轉(zhuǎn)動來探測目標的方式，也可以提高捕獲目標的速度。

4A對面天線和陣列天線而言，與波長之比，口徑面積較大的天線一般增益較高，看的較遠，否則看的較近；

4B與動物驅(qū)體相比，眼睛比較大的且瞬間速度較快的動物，一般看的較遠，如猴類動物，站的高就能看的遠，要求增益高，而大象驅(qū)體很大，但眼睛較小，這是因為瞬間速度有限，不必要很高的增益。

5A天線中有線天線和面天線之分；

5B動物的眼睛也有線源和面源之分。

6A拋物面天線若饋源發(fā)生故障，可以通過更換饋源的方式來恢復性能；

6B動物眼睛的眼底角膜若發(fā)生病變，可以通過更換角膜的方式來恢復功能；

7A線天線的特點是一個面波束比較寬，而另一個面波束比較窄，寬波束用于廣角探測，窄波束用于精密定位；

7B瞇瞇眼動物（有些蛇類），同樣也需要一個觀察面寬，一個觀察面窄，一個面搜索，一個面跟蹤。

8A天線中設計有調(diào)零天線，其目的是提高天線的抗干擾能力，方法是通過調(diào)幅和調(diào)相，但當探測方向與干擾方向之間的夾角較小時，調(diào)零天線也無能為力；

8B動物們通過瞇瞇眼、縮放瞳孔、或閉只眼睛等方式，同樣也是為了提高抗干擾的能力，但當觀察方向與干擾方向的夾角較小時，動物們同樣也無可奈何。

9A天線通過口徑重構(gòu)，可以構(gòu)成天線單波束或同時多波束，多波束和寬波束用于搜索，窄波束用于跟蹤；

9B變色龍的眼睛可以獨立的進行控制，每只眼睛單獨搜索，和起來完成跟蹤，與口徑重構(gòu)天線的效果完全相同。

10A搜跟一體天線，實現(xiàn)容易，但嚴格的講不能同時，有可能造成故此失彼；

10B變色龍的眼睛就是寬角搜索、定向跟蹤，也不能完全同時，有失有得。

11A在比幅單脈沖天線中，接收機通過來波的幅度進行反復比較獲得目標的方向；

11B某些爬型動物，如蛇類等動物，利用分叉的蛇信子對食物場進行幅度比較，并通過不斷的收縮來求取食物場的方向?qū)?shù)，最終將沿食物場的梯度方向前進。

12A比相單脈沖天線是通過比較來波的相位獲得來波的方向，但當來波方向處于天線的法向時，測向精度最高，這是因為兩天線的相位差對方向的導數(shù)最大；

12B動物用眼睛觀察物體或用耳朵探聽聲源時，動物們通過比較光流、聲波時間差等信息獲得觀察方向，同樣正視目標測向最準確。

13A天線中有透鏡天線，目的是為了場的匹配，提高天線效率；

13B人們佩戴眼鏡，是為了光學上的匹配，看的更加清楚（近視眼），也提高了清晰度。

14A在一般情況下，透鏡的面積要大于天線的面積，以防止波的泄漏；

14B同樣人們佩戴的眼鏡，多數(shù)情況也大于眼睛的面積，以防止光的泄漏。

15A高增益天線一般看的比較遠，定向能力也很強，但若要寬角覆蓋，天線必須轉(zhuǎn)動；

15B大眼睛、大耳朵的動物一般看的比較遠，若想還要寬角覆蓋，也必須轉(zhuǎn)動驅(qū)體。

16A相控陣天線是由許多天線單元構(gòu)成的，并且有平面陣和共面陣之分，性能很好，搜跟一體化；

16B在動物眼睛中，也有一種稱為復眼，也類似于相控陣天線，有平面和共面之分，同樣也能完成搜索和跟蹤一體化的功能。

17A在拋物面天線中設計有天線的饋源，饋源是為了聚集電磁波的能量；

17B動物眼睛中備有眼底，眼底是為了聚焦光波。

18A天線為了將信號傳至中心機，設計有饋線系統(tǒng)，傳輸電信號；

18B動物們的眼睛也有視神經(jīng)，可傳輸光信號至中樞神經(jīng)。

19A在天線輻射的波束中，除主波束之外，還產(chǎn)生有副瓣，副瓣較高時易受干擾，影響探測；

19B動物的眼睛也有余光，觀察范圍增大了，但定向視力下降，同樣容易受到非觀察光源的干擾。

20A電子設備為了提高探測范圍和探測距離，可以采用有復合跟蹤和復合探測的方式，目的是提高探測的可靠性；

20B動物們用眼睛、鼻子、耳朵、紅外感知等器官綜合探測物體，也是提高感知的可靠性。

21A通常情況下，高頻天線體積小、重量輕、移動方便，但通訊距離有限，而低頻天線恰好相反，如對潛通訊天線。

21B一般來說，小型動物，聲音洪亮，移動靈活方便 ，同樣作用距離較近，而大型動物恰好相反，移動緩慢，聲音低沉，通訊距離很遠（如大象）。

22A天線中有寬頻帶天線，甚至有倍頻程天線，響應寬廣，但各頻增益難以實現(xiàn)最佳；

22B動物眼睛有寬光譜、聲音有寬聲帶，響應增寬了，但敏感度降低了。

23A天線中有窄頻帶天線，天線增益及其它性能可以實現(xiàn)最佳，對該頻段響應敏感；

23B動物的眼睛也有窄光譜、耳朵有窄聲帶，因此人們對某些光線以及某些聲波無法探測。

24A天線中有天線座，作用是支撐天線、傳輸信號，是一個穩(wěn)定平臺；

24B動物有勃子、身體，作用同樣是支撐感知器官、傳輸信號，也是一個穩(wěn)定平臺。

25A天線按頻段分為高頻天線和低頻天線，高頻天線一般定向能力較強，但空間衰減也大，而低頻天線正好相反；

25B動物的聲帶也有高音和低音之分，但都進化到了最佳頻段，如大象和鱷魚等動物的音頻很低但傳輸?shù)木秃苓h。

26A當天線發(fā)生故障時，設計的工作頻率將產(chǎn)生偏移，如對數(shù)周期等天線；

26B動物有了病變，聲音將變的嘶啞，有耳病的動物聽頻也產(chǎn)生漂移。

27A設計的天線中有誘餌天線，其作用是誘偏來襲導彈，然后對其進行打擊；

27B動物也設計誘餌，作用是誘騙其它動物，然后將其抓獲，如響尾蛇和某些深海魚類。

28A天線中部分設計有天線罩，作用是保護天線不受外部環(huán)境的影響，但副作用是天線罩對電磁波產(chǎn)生反射并有插入損耗；

28B人們佩帶防護鏡、帶耳套，作用也是保護器官不受外部環(huán)境的影響，副作用也是影響器官的感知靈敏度。

29A天線中有隱身天線，作用是降低其它電子設備的探測能力；

29B動物有偽裝措施，如變形、變色、裝死等方式，作用也是降低其他動物的識別能力。

30A天線中有喇叭型天線，一般情況增益高、定向能力較強；

30B動物有長耳朵，定向能力也很強，如食草類動物。

31A天線中有對數(shù)周期天線，特性是頻帶寬，形態(tài)是輻射振子多，特點是前邊振子短后邊振子長。

31B動物中某些昆蟲的觸角，其外形和作用幾乎和對數(shù)周期天線完全相同，觸角前邊短、后邊長。

32A天線通過移動，再經(jīng)中心機分析以后，對目標可以成像，如合成孔徑雷達；

32B動物通過軀體的移動，再經(jīng)大腦分析以后，對物體可以看的更加清楚（不識廬山真面目，只緣身在此山中就是沒有全向觀察，因此不能成像）。

33A天線中有貴族天線如相控陣天線，性能優(yōu)、價格高，大多數(shù)情況可以替換其它天線；

33B動物中有高等動物(人)，智商高、能力強，大多數(shù)情況可以征服其它動物。

34A當多單元構(gòu)成一個天線系統(tǒng)時，個別單元發(fā)生故障后，整體還能工作，但性能指標就會下降；

34B當動物的多個感知器官個別發(fā)生病變時，生命還能維持，但生活質(zhì)量指標下降。

35A某些電子設備有的不用天線也能工作，如mp3等設備；

35B個別動物沒有眼睛或其它部分感知器官還能生存，如一些深海魚類。

36A電子設備加電之后，消耗了電能，天線工作才有意義；

36B動物進食之后，消耗了食物，有了生命，器官探測才有價值。

37A相控陣天線在波束掃描時，隨著掃描角度的增加，天線的增益將會下降；

37B同樣動物用眼睛觀察目標時，隨著觀察角度的增加，視力也將下降。

38A相控陣天線在波束掃描以后，天線的法線方向副瓣較高，遠角副瓣變?nèi)酰?/p>

38B同樣動物用眼睛斜視目標時，面部前方余光較強；遠角余光變?nèi)酢?/p>

39A用二元陣因子的天線為擴大覆蓋范圍，可反向而裝，如通信天線，結(jié)果覆蓋擴大，增益下降；

39B食草動物為提高防備范圍，兩只眼睛長在頭的兩側(cè)，結(jié)果視野變大，前方視力下降。

40A電子設備在用天線進行精密跟蹤時，接收機進行脈沖積累，代價是時間；

40B動物用眼睛凝視目標時，用時間換取跟蹤精度，代價同樣也是時間（如凝視飛機）。

41A雷達天線通過增加脈沖寬度，可以探測到更遠、和更小的目標；

41B動物通過提高注意力，感知器官可以得到更小和更弱的信號。

42A天線收到信號后，必須經(jīng)電子設備的中心機進行處理，才能對信號進行分析和比較；

42B動物的感知器官收到信號以后，也必須經(jīng)中樞神經(jīng)進行處理，才能得到正確的分析和判斷。

43A天線中采用二元陣天線，目的是測量目標的距離和方向；

43B動物們都有兩只眼睛、兩只耳朵，閉只眼睛，無法測距，測向精度也將下降。

44A天線中當二元陣的單元因子相同且指向同一方向時，可以實現(xiàn)等幅同相疊加，天線增益最高；

44B食肉動物目視前方（單元因子向前）也是最佳值相加，結(jié)果提高了視力。

45A當二元陣的單元因子相同，但單元指向有一加角時，可以增加視角范圍，實現(xiàn)寬角覆蓋，但前方視力將下降，如食草動物，如圖1所示。

圖1 食肉動物與食草動物之區(qū)別

46A空中和海中電子設備，經(jīng)高增益天線和高靈敏度接收機，克服了空間衰減和水面的反射可以觀察到對方；

46B空中飛禽和海中生物通過眼睛克服了空間衰減和水面對光線的反射也可以看到對方。

47A電子設備的天線只要經(jīng)常維護，避免在惡劣環(huán)境中工作，可延長使用壽命；

47B動物的感知器官只要珍惜，避免惡劣環(huán)境對器官的傷害（如長時間的收看電視或高音量下聽音樂等），同樣可以保證使用壽命。

48A部分天線中設計有扼流槽，目的是降低天線的表面波及后向繞射；

48B有些動物長有眼下線，如獵豹，作用是減少地面光線的反射，吸收部分不必要的光線。

49A在反射面天線的邊上增加圍裙，可以提高天線的增益，降低天線的遠角副瓣；

49B有些動物在眼睛或其它器官的周圍長有輔助感知器官，如貓頭鷹眼睛的周圍長有碟型頭毛，可提高感知的靈敏度，降低干擾。

50A在比相單脈沖天線中，接收機通道若不進行相位校準，就無法測向，即是測了也不正確；

50B動物用睛眼觀察物體時，也要進行時間的積累和校準，否則無法判斷，如新出生的動物。

51A天線中有雙波段或多波段共用孔徑天線，如多饋源、多極化天線，目的是適應不同的目標和環(huán)境；

51B動物有雙眼底共用眼球的功能，目的是適應不同的目標和環(huán)境；如師子等動物。

52A天線中部分器件發(fā)生故障以后，設備整體性能有所下降，但整機還能工作；

52B動物部分感知器官失靈，生活質(zhì)量降低，但還能生存。

53A給一些天線加上一個反射器，就可以改變最大輻射方向，隨人所愿；

53B人們利用一個反射鏡，就可以改變觀察物體的方向，如人所意，如潛望鏡、汽車后視鏡等。

54A八木天線通過增加縱向的長度，提高了天線的增益，但減少了探測的覆蓋范圍；

54B人們利用一個望遠鏡，通過增加長度，擴大鏡面，提高了觀察距離，但減少了觀察覆蓋的范圍。

55A在比相單脈沖天線中，為了提高測角的精度，可增加兩天線單元的基線長度，如干涉儀的天線；

55B動物們?yōu)榱颂岣邔δ繕说挠^察精度，已將自己的眼睛、耳朵等進化至頭部的最寬處。

56A某些陸基電子設備，為了看得遠、看得清且運輸安全，可將天線升高或降低；

56B有些動物，特別是小型動物，也可將自己的探頭升高或降低，觀察時升高、行動時降低。

57A一般而言，天線的壽命長于整機，即是整機的壽命終結(jié)，天線還可再利用，如電視、雷達等電子設備；

57B通常情況，動物感知器官的壽命也長于動物自身的壽命，即是動物身亡，器官還可捐獻，如眼角膜等。

58A天線通過賦型，可以實現(xiàn)空間希望的波束形狀；

58B動物情緒變化時，通過瞪眼睛的方式，或食草動物的一只耳朵向前、另一只向后的方式同樣可以改變觀察注意的區(qū)域。

59A有些天線經(jīng)極化變化天線罩以后，改變了天線的極化方向，以適應不同的目標；

59B人們佩帶特殊的眼鏡，也是可以改變光線的極化方向，適應不同的環(huán)境。

60A天線通過專用設備測試以后，就可以得知天線的性能；

60B動物的感知器官通過專用設備檢查以后，也能得知功能的好壞。

61A雷達通過天線可進行無源探測（被動），但當外輻射源靜寞時，無源探測將失效；

61B動物用眼鏡等器官感知周圍世界時，也是無源探測，當無外輻射源時，探測也將失效。

62A雷達天線無源探測失效時，可進行有源探測；

62B動物無源感知失靈時，也可進行有源探測，如蝙蝠等動物。

63A當二元陣列天線中的一個單元方向發(fā)生改變以后，則二元陣列天線的方向圖隨之變化；

63B食草動物的一個耳朵改變方向，同樣也影響合成的效果。

64A一般前饋拋物面天線存在有口徑遮擋，通常會影響天線的增益及副瓣電平，

64B動物眼睛發(fā)生病變時，可能出現(xiàn)白內(nèi)障，該遮擋通常也會影響動物的視線。

65A天線中有發(fā)射天線和接收天線，也有收發(fā)共用天線；

65B動物中有雌性動物和雄性動物，也有雌雄共體動物。

66A天線附件中有陽接頭也有陰接頭；

66B很顯然這些接頭的命名都源于動物。

3 總結(jié)

每一種動物，都有一個精彩的故事，每一個故事，都有其獨特的傳奇。動物們是通過各種感知器官來探測周圍的世界，我們也用各種天線來探測不同的目標，總之我們?nèi)祟愐恢痹谡J識自然、研究自然，再到利用自然的過程中得到了自身的發(fā)展，盡管如此，由于動物資源仍是一個無窮的寶庫，動物身上還有許多知識有待我們來研究發(fā)現(xiàn)，在很多方面，動物的能力都已超過了我們?nèi)祟?，如大多?shù)犬類動物的嗅覺都已超過了我們?nèi)祟愃O計的儀器靈敏度，因此我們還應認真研究，刻苦鉆研，繼續(xù)努力！努力！

[1]林昌祿.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2]Robert J.Mailloux.相控陣天線手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.