【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)計方案,文中表示,根據(jù)此方案將能制造出比當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線通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能手機等。
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?,F(xiàn)實應(yīng)用的天線長度至少都要大于波長的十分之一,近十年來,天線的進一步小型化已經(jīng)是一個公開的難題。
而設(shè)計的新型ME天線(尺寸小于波長的千分之一)在最先進的小型天線上實現(xiàn)了1-2個數(shù)量級的縮小,而且性能也沒有下降。
突破點電磁諧振與聲諧振
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、平板電腦、射頻識別系統(tǒng)、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(xiàn)有天線尺寸的進一步縮小,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)制動的納米機械磁電(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,產(chǎn)生壓電電壓的輸出。
低頻率限制
我們都知道,頻率越高,波長越短,天線也越短。但隨著頻率的提高,很多問題將會出現(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)的強磁電(ME)耦合效應(yīng)已經(jīng)被證實,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)中實現(xiàn)射頻(RF)動態(tài)過程中的強ME耦合?如果可以的話,這樣就能使用新的電磁波收發(fā)機制來輻射電磁波,制造出聲學(xué)致動的納米級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相互作用,該強相互作用還受限于靜態(tài)或準靜態(tài)過程。而此處是射頻動態(tài)過程,困難不言而喻。
實現(xiàn)與驗證
為了切實解決兩大限制,研究人員進行了大量的分析與實驗,并在現(xiàn)有天線的基礎(chǔ)上做了許多細節(jié)上的改進。主要有以下幾個方面:
在器件選擇上,實驗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;此外,研究人員還對天線諧振器的導(dǎo)納幅度進行了測量和分析,并利用甚高頻鎖相放大器測出不同頻率下的電磁感應(yīng)電壓。
另外,為了解決高頻動態(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)。
實驗中,研究團隊分別對這兩種電磁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進行了分析,在考慮磁致伸縮和壓電異構(gòu)結(jié)構(gòu)中的磁場和電場之間的耦合因素下,他們使用FEM軟件,即COMSOL Multiphysics V5.1對兩種結(jié)構(gòu)分別進行仿真模擬,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,而由于聲波波長遠小于電磁波諧振的波長,因此這些ME天線遠小于最先進的電磁共振小型天線。
實驗中,研究團隊已經(jīng)嘗試了基于NPR和FBAR結(jié)構(gòu)的設(shè)計。未來,這款新型的小型天線將被設(shè)計為多種不同的結(jié)構(gòu),以實現(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)計這種微小型天線將會用于無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能手機等多項領(lǐng)域。
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