【導讀】近日，《自然通訊》雜志發(fā)布了一篇文章，它描述了一種新型天線(xiàn)設計方案，文中表示，根據此方案將能制造出比當前小型天線(xiàn)還要小一百倍的天線(xiàn)。新型微小型天線(xiàn)未來(lái)可用于無(wú)線(xiàn)通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、智能手機等。
圖、目前的小型天線(xiàn)產(chǎn)品
目前，現有的小型天線(xiàn)都是基于電磁共振，因此天線(xiàn)的尺寸需要根據電磁波的波長(cháng)?，F實(shí)應用的天線(xiàn)長(cháng)度至少都要大于波長(cháng)的十分之一，近十年來(lái)，天線(xiàn)的進(jìn)一步小型化已經(jīng)是一個(gè)公開(kāi)的難題。
而設計的新型ME天線(xiàn)（尺寸小于波長(cháng)的千分之一）在最先進(jìn)的小型天線(xiàn)上實(shí)現了1-2個(gè)數量級的縮小，而且性能也沒(méi)有下降。
突破點(diǎn)電磁諧振與聲諧振
基于交流電流和電磁（EM）波輻射之間相互轉換的天線(xiàn)在智能手機、平板電腦、射頻識別系統、雷達等中已廣泛使用，而這種電磁耦合的諧振波技術(shù)限制了現有天線(xiàn)尺寸的進(jìn)一步縮小，特別是在甚高頻（VHF，30-300MHz）和超高頻（UHF，0.3-3GHz）上。
故而論文中給出的天線(xiàn)是一種聲學(xué)制動(dòng)的納米機械磁電（ME）天線(xiàn)，該天線(xiàn)具有懸浮磁性/壓電薄膜異質(zhì)結構，其在膜體聲信號共振頻率下，通過(guò)ME效應接收和發(fā)射電磁波。
具體來(lái)看，就是ME天線(xiàn)中的聲波刺激強磁性薄膜的磁化振蕩，導致電磁波的輻射，反之亦然，這些天線(xiàn)感應電磁波的磁場(chǎng)，產(chǎn)生壓電電壓的輸出。
低頻率限制
我們都知道，頻率越高，波長(cháng)越短，天線(xiàn)也越短。但隨著(zhù)頻率的提高，很多問(wèn)題將會(huì )出現。
這里新型天線(xiàn)采用的是磁性/壓電異質(zhì)結構，在低頻下，其應變介導的強磁電（ME）耦合效應已經(jīng)被證實(shí)，即可以使磁性和電力之間的能量轉移更有效。
但有科學(xué)家提出，低頻情況下該結構是強耦合的，即能量轉移很有效，那是否也意味著(zhù)可以在該結構中實(shí)現射頻（RF）動(dòng)態(tài)過(guò)程中的強ME耦合？如果可以的話(huà)，這樣就能使用新的電磁波收發(fā)機制來(lái)輻射電磁波，制造出聲學(xué)致動(dòng)的納米級ME天線(xiàn)。
不過(guò)，除了在數千赫茲的低頻情況下，聲波和磁化之間具有強相互作用，該強相互作用還受限于靜態(tài)或準靜態(tài)過(guò)程。而此處是射頻動(dòng)態(tài)過(guò)程，困難不言而喻。
實(shí)現與驗證
為了切實(shí)解決兩大限制，研究人員進(jìn)行了大量的分析與實(shí)驗，并在現有天線(xiàn)的基礎上做了許多細節上的改進(jìn)。主要有以下幾個(gè)方面：
在器件選擇上，實(shí)驗中采用高電阻率硅晶圓作為天線(xiàn)裝置的基片；在薄膜結構的磁性多層沉積上，研究人員特別表示使用Al2O3靶通過(guò)RF濺射沉積FeGaB層，其中沉積速率需要用X射線(xiàn)反射率校準；此外，研究人員還對天線(xiàn)諧振器的導納幅度進(jìn)行了測量和分析，并利用甚高頻鎖相放大器測出不同頻率下的電磁感應電壓。
另外，為了解決高頻動(dòng)態(tài)的限制，研究人員目前嘗試了兩種結構，分別采用的是納米板諧振器（NPR）和薄膜體聲波諧振器（FBAR）。
實(shí)驗中，研究團隊分別對這兩種電磁結構的響應進(jìn)行了分析，在考慮磁致伸縮和壓電異構結構中的磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間的耦合因素下，他們使用FEM軟件，即COMSOL Multiphysics V5.1對兩種結構分別進(jìn)行仿真模擬，并分析了仿真模塊的頻率響應，從而得出兩種不同的電磁結構可以發(fā)射不同的頻率。
總結：
小型ME天線(xiàn)主要是基于聲共振或電磁共振下的磁電耦合效應收發(fā)信號，而由于聲波波長(cháng)遠小于電磁波諧振的波長(cháng)，因此這些ME天線(xiàn)遠小于最先進(jìn)的電磁共振小型天線(xiàn)。
實(shí)驗中，研究團隊已經(jīng)嘗試了基于NPR和FBAR結構的設計。未來(lái)，這款新型的小型天線(xiàn)將被設計為多種不同的結構，以實(shí)現VHF（60MHz）和UHF（2.525GHz）等多種工作頻率。
此外，基于NPR和FBAR的天線(xiàn)可以通過(guò)相同的制造工藝在相同的硅晶圓上制造，這就意味著(zhù)可以將數十兆赫茲的寬帶ME天線(xiàn)陣列集成到數十G赫茲的芯片上。
未來(lái)，預計這種微小型天線(xiàn)將會(huì )用于無(wú)線(xiàn)通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、智能手機等多項領(lǐng)域。
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