近日,《自然通讯》杂志发布了一篇文章,它描述了一种新型天线设计方案,文中表示,根据此方案将能制造出比当前小型天线还要小一百倍的天线。

010ednc20170919 图、目前的小型天线产品

目前,现有的小型天线都是基于电磁共振,因此天线的尺寸需要根据电磁波的波长。现实应用的天线长度至少都要大于波长的十分之一,近十年来,天线的进一步小型化已经是一个公开的难题。

而设计的新型ME天线(尺寸小于波长的千分之一)在最先进的小型天线上实现了1-2个数量级的缩小,而且性能也没有下降。

突破点电磁谐振与声谐振

基于交流电流和电磁(EM)波辐射之间相互转换的天线在智能手机、平板电脑、射频识别系统、雷达等中已广泛使用,而这种电磁耦合的谐振波技术限制了现有天线尺寸的进一步缩小,特别是在甚高频(VHF,30-300MHz)和超高频(UHF,0.3-3GHz)上。

故而论文中给出的天线是一种声学制动的纳米机械磁电(ME)天线,该天线具有悬浮磁性/压电薄膜异质结构,其在膜体声信号共振频率下,通过ME效应接收和发射电磁波。

具体来看,就是ME天线中的声波刺激强磁性薄膜的磁化振荡,导致电磁波的辐射,反之亦然,这些天线感应电磁波的磁场,产生压电电压的输出。

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低频率限制

我们都知道,频率越高,波长越短,天线也越短。但随着频率的提高,很多问题将会出现。

这里新型天线采用的是磁性/压电异质结构,在低频下,其应变介导的强磁电(ME)耦合效应已经被证实,即可以使磁性和电力之间的能量转移更有效。

但有科学家提出,低频情况下该结构是强耦合的,即能量转移很有效,那是否也意味着可以在该结构中实现射频(RF)动态过程中的强ME耦合?如果可以的话,这样就能使用新的电磁波收发机制来辐射电磁波,制造出声学致动的纳米级ME天线。

不过,除了在数千赫兹的低频情况下,声波和磁化之间具有强相互作用,该强相互作用还受限于静态或准静态过程。而此处是射频动态过程,困难不言而喻。

实现与验证

为了切实解决两大限制,研究人员进行了大量的分析与实验,并在现有天线的基础上做了许多细节上的改进。主要有以下几个方面:

在器件选择上,实验中采用高电阻率硅晶圆作为天线装置的基片;在薄膜结构的磁性多层沉积上,研究人员特别表示使用Al2O3靶通过RF溅射沉积FeGaB层,其中沉积速率需要用X射线反射率校准;此外,研究人员还对天线谐振器的导纳幅度进行了测量和分析,并利用甚高频锁相放大器测出不同频率下的电磁感应电压。

另外,为了解决高频动态的限制,研究人员目前尝试了两种结构,分别采用的是纳米板谐振器(NPR)和薄膜体声波谐振器(FBAR)。

实验中,研究团队分别对这两种电磁结构的响应进行了分析,在考虑磁致伸缩和压电异构结构中的磁场和电场之间的耦合因素下,他们使用FEM软件,即COMSOL Multiphysics V5.1对两种结构分别进行仿真模拟,并分析了仿真模块的频率响应,从而得出两种不同的电磁结构可以发射不同的频率。

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总结:

小型ME天线主要是基于声共振或电磁共振下的磁电耦合效应收发信号,而由于声波波长远小于电磁波谐振的波长,因此这些ME天线远小于最先进的电磁共振小型天线。

实验中,研究团队已经尝试了基于NPR和FBAR结构的设计。未来,这款新型的小型天线将被设计为多种不同的结构,以实现VHF(60MHz)和UHF(2.525GHz)等多种工作频率。

此外,基于NPR和FBAR的天线可以通过相同的制造工艺在相同的硅晶圆上制造,这就意味着可以将数十兆赫兹的宽带ME天线阵列集成到数十G赫兹的芯片上。

未来,预计这种微小型天线将会用于无线通信、物联网、可穿戴设备、智能手机等多项领域。

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