黑科技 | 新型ME天线仅为小型天线的百分之一，可广泛用于智能硬件中

新型微小型天线未来可用于无线通信、物联网、可穿戴设备、智能手机等。

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。

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。

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。

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。