將GHz通信天線可集成到芯片上的設(shè)計方案詳細介紹

有點常識的人都知道，雙極或單極金屬天線的長度至少要達到所對應(yīng)的信號波長的八分之一，這樣才能發(fā)送出足夠的能量。對于千兆赫（GHz）級的信號 傳輸（主要是移動通信信號）來說，信號的波長通常處于15厘米到30厘米之間，從而限制了發(fā)射接受天線的小型化，而與此同時，硅芯片卻越來越小，所以有必 要讓天線也越來越小。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)找到了一種能夠減小GHz天線尺寸的方法，而且只需要修改一種已經(jīng)存在的技術(shù)就可以了，這項技術(shù)中使用的天線是用電介質(zhì)材料或絕緣 材料制成的，而不是通常使用的導(dǎo)體。在一個概念試驗中，英國劍橋大學(xué)和特丁頓國家物理實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以在減小GHz天線尺寸的同時而不會給信 號傳輸帶來明顯的損失，而這項實驗中他們所使用的天線材料是電介質(zhì)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在本月的《物理評論快報》雜志上。

但到現(xiàn)在為止，沒人能完全理解為什么在介電材料的一端施加信號時，介電材料會發(fā)射電磁波。麥克斯韋方程解釋了導(dǎo)體中的高頻電子流動能夠產(chǎn)生電磁波，但為什么沒有電子流動的絕緣材料也會發(fā)出電磁波？卻并不能從中得到答案。

Marconi 1900年的專利給了21世紀的工程師靈感

這個研究小組的負責(zé)人是劍橋大學(xué)的工程師Gehan Amaratunga，他是在技術(shù)歷史之中尋找到現(xiàn)在的靈感的。他們特別指出了Guglielmo Marconi（伽利爾摩·馬可尼（1874-1937），意大利無線電工程師，企業(yè)家，實用無線電報通信的創(chuàng)始人）1900年在英國申請的著名專利 （7777號專利：調(diào)諧式無線電報）中的一個有趣但鮮有人關(guān)注的細節(jié)。其中描述了一個連接到一根天線的發(fā)射器，而該天線又連接到了一個線圈上。該線圈一段 懸空，而射頻信號則被提供到線圈的中間。盡管違反直覺，火花發(fā)生器和天線之間的這種非對稱的耦合允許所述RF電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡椛?。研究人員意識到正是這 種非對稱性（或稱“破碎的對稱性”，借用于量子理論）能為馬可尼發(fā)射器的生成的電磁波提供解釋。

你能在一種曾經(jīng)很常見的20世紀的技術(shù)中看到這樣的對稱性破碎：在電視機出現(xiàn)的早期的幾十年，電視臺使用雙線帶從屋頂?shù)腣HF天線上向電視機發(fā)送射頻 信號而不會有任何損失。產(chǎn)生RF的電流在兩條導(dǎo)體中以相反的方向流動，相位也是相反的。因為平移對稱性（兩根導(dǎo)體是平行的），這兩根導(dǎo)體之間的輻射相互抵 消了，所以不會有凈輻射進入周圍的空間中。但如果你將兩根導(dǎo)體的一端兩邊張開，那么它們就不再相互平行了，從而打破了其中的對稱性，使得射頻信號可以轉(zhuǎn)換為電磁輻射。

這個英國的研究團隊認為對稱性破裂的概念解釋了介電材料可以傳輸電磁波的原因?！暗侥壳盀橹惯@一機制還沒有得到很好地理解，”論文的主要作者 Dhiraj Sinha說，這一項目也是他的劍橋大學(xué)博士后研究課題，而且他現(xiàn)在還是一件天線創(chuàng)業(yè)公司Oscion的CEO，該公司位于印度的大諾伊達。

電介質(zhì)天線已經(jīng)在使用中了，但對于片上使用來說還是太大了一點。所以Sinha及其同事并未選擇現(xiàn)在已經(jīng)有使用的介電材料，而是選擇了壓電薄膜。“通 常的電介質(zhì)天線受到了制造技術(shù)的限制，因為我們不能將介電材料做成薄膜。壓電材料則可以做成薄膜的形式，而這些薄膜的厚度可以做到100到20微米之 間?！盨inha說。

在他們的實驗中，研究人員使用了沉積在壓電薄膜上的兩個相互交叉接觸的壓電濾波器，這種器件相似于現(xiàn)在智能手機中使用的晶振頻率濾波器。當在對稱模式 受到激勵時，它們表現(xiàn)得和普通的LC電路完全一樣，Sinha解釋道。當在非對稱模式下受到激勵時，兩個交叉接觸中的一個受到了激勵，而另一個則懸空激 發(fā)，壓電濾波器則作為單極天線，事實上，這在某種程度上就是馬可尼在1900年所描述過的天線。

在GPS頻率（1575.42 MHz）的實驗表明，新天線有高達60%的效率（指RF射頻信號的功率轉(zhuǎn)換成電磁輻射信號功率的百分比）。Sinha提到他們的天線能夠輻射1瓦特的功率，這對于大部分的便攜式設(shè)備來說是綽綽有余了。

對于他們接下來的實驗，他們會嘗試制造用于更長波長的絕緣天線?！拔覀冊诳紤]200-600MHz的頻段，這是一個很有趣的頻段，因為如果我們成功了，我們就可以將電視機的天線做得很小很小?！盨inha說。