【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(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。現(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(zhǔn)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(zhǔn)；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。
推薦閱讀：
