【導(dǎo)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設(shè)計(jì)方案，文中表示，根據(jù)此方案將能制造出比當(dāng)前小型天線還要小一百倍的天線。新型微小型天線未來可用于無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)等。
圖、目前的小型天線產(chǎn)品
目前，現(xiàn)有的小型天線都是基于電磁共振，因此天線的尺寸需要根據(jù)電磁波的波長(zhǎng)。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的天線長(zhǎng)度至少都要大于波長(zhǎng)的十分之一，近十年來，天線的進(jìn)一步小型化已經(jīng)是一個(gè)公開的難題。
而設(shè)計(jì)的新型ME天線（尺寸小于波長(zhǎng)的千分之一）在最先進(jìn)的小型天線上實(shí)現(xiàn)了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的縮小，而且性能也沒有下降。
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(zhuǎn)換的天線在智能手機(jī)、平板電腦、射頻識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)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(xiàn)有天線尺寸的進(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是一種聲學(xué)制動(dòng)的納米機(jī)械磁電（ME）天線，該天線具有懸浮磁性/壓電薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其在膜體聲信號(hào)共振頻率下，通過ME效應(yīng)接收和發(fā)射電磁波。
具體來看，就是ME天線中的聲波刺激強(qiáng)磁性薄膜的磁化振蕩，導(dǎo)致電磁波的輻射，反之亦然，這些天線感應(yīng)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(zhǎng)越短，天線也越短。但隨著頻率的提高，很多問題將會(huì)出現(xiàn)。
這里新型天線采用的是磁性/壓電異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在低頻下，其應(yīng)變介導(dǎo)的強(qiáng)磁電（ME）耦合效應(yīng)已經(jīng)被證實(shí)，即可以使磁性和電力之間的能量轉(zhuǎn)移更有效。
但有科學(xué)家提出，低頻情況下該結(jié)構(gòu)是強(qiáng)耦合的，即能量轉(zhuǎn)移很有效，那是否也意味著可以在該結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)射頻（RF）動(dòng)態(tài)過程中的強(qiáng)ME耦合？如果可以的話，這樣就能使用新的電磁波收發(fā)機(jī)制來輻射電磁波，制造出聲學(xué)致動(dòng)的納米級(jí)ME天線。
不過，除了在數(shù)千赫茲的低頻情況下，聲波和磁化之間具有強(qiáng)相互作用，該強(qiáng)相互作用還受限于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)過程。而此處是射頻動(dòng)態(tài)過程，困難不言而喻。
實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)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(yàn)，并在現(xiàn)有天線的基礎(chǔ)上做了許多細(xì)節(jié)上的改進(jìn)。主要有以下幾個(gè)方面：
在器件選擇上，實(shí)驗(yàn)中采用高電阻率硅晶圓作為天線裝置的基片；在薄膜結(jié)構(gòu)的磁性多層沉積上，研究人員特別表示使用Al2O3靶通過RF濺射沉積FeGaB層，其中沉積速率需要用X射線反射率校準(zhǔn)；此外，研究人員還對(duì)天線諧振器的導(dǎo)納幅度進(jìn)行了測(cè)量和分析，并利用甚高頻鎖相放大器測(cè)出不同頻率下的電磁感應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)這兩種電磁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行了分析，在考慮磁致伸縮和壓電異構(gòu)結(jié)構(gòu)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(duì)兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真模擬，并分析了仿真模塊的頻率響應(yīng)，從而得出兩種不同的電磁結(jié)構(gòu)可以發(fā)射不同的頻率。
總結(jié)：
小型ME天線主要是基于聲共振或電磁共振下的磁電耦合效應(yīng)收發(fā)信號(hào)，而由于聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電磁波諧振的波長(zhǎng)，因此這些ME天線遠(yuǎn)小于最先進(jìn)的電磁共振小型天線。
實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)嘗試了基于NPR和FBAR結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。未來，這款新型的小型天線將被設(shè)計(jì)為多種不同的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)VHF（60MHz）和UHF（2.525GHz）等多種工作頻率。
此外，基于NPR和FBAR的天線可以通過相同的制造工藝在相同的硅晶圓上制造，這就意味著可以將數(shù)十兆赫茲的寬帶ME天線陣列集成到數(shù)十G赫茲的芯片上。
未來，預(yù)計(jì)這種微小型天線將會(huì)用于無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)等多項(xiàng)領(lǐng)域。
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