将GHz通信天线可集成到芯片上的设计方案详细介绍

有点常识的人都知道，双极或单极金属天线的长度至少要达到所对应的信号波长的八分之一，这样才能发送出足够的能量。对于千兆赫（GHz）级的信号 传输（主要是移动通信信号）来说，信号的波长通常处于15厘米到30厘米之间，从而限制了发射接受天线的小型化，而与此同时，硅芯片却越来越小，所以有必 要让天线也越来越小。

现在，研究人员已经找到了一种能够减小GHz天线尺寸的方法，而且只需要修改一种已经存在的技术就可以了，这项技术中使用的天线是用电介质材料或绝缘 材料制成的，而不是通常使用的导体。在一个概念试验中，英国剑桥大学和特丁顿国家物理实验室的研究人员发现他们可以在减小GHz天线尺寸的同时而不会给信 号传输带来明显的损失，而这项实验中他们所使用的天线材料是电介质。他们的研究结果发表在本月的《物理评论快报》杂志上。

但到现在为止，没人能完全理解为什么在介电材料的一端施加信号时，介电材料会发射电磁波。麦克斯韦方程解释了导体中的高频电子流动能够产生电磁波，但为什么没有电子流动的绝缘材料也会发出电磁波？却并不能从中得到答案。

Marconi 1900年的专利给了21世纪的工程师灵感

这个研究小组的负责人是剑桥大学的工程师Gehan Amaratunga，他是在技术历史之中寻找到现在的灵感的。他们特别指出了Guglielmo Marconi（伽利尔摩·马可尼（1874-1937），意大利无线电工程师，企业家，实用无线电报通信的创始人）1900年在英国申请的著名专利 （7777号专利：调谐式无线电报）中的一个有趣但鲜有人关注的细节。其中描述了一个连接到一根天线的发射器，而该天线又连接到了一个线圈上。该线圈一段 悬空，而射频信号则被提供到线圈的中间。尽管违反直觉，火花发生器和天线之间的这种非对称的耦合允许所述RF电信号转变为电磁辐射。研究人员意识到正是这 种非对称性（或称“破碎的对称性”，借用于量子理论）能为马可尼发射器的生成的电磁波提供解释。

你能在一种曾经很常见的20世纪的技术中看到这样的对称性破碎：在电视机出现的早期的几十年，电视台使用双线带从屋顶的VHF天线上向电视机发送射频 信号而不会有任何损失。产生RF的电流在两条导体中以相反的方向流动，相位也是相反的。因为平移对称性（两根导体是平行的），这两根导体之间的辐射相互抵 消了，所以不会有净辐射进入周围的空间中。但如果你将两根导体的一端两边张开，那么它们就不再相互平行了，从而打破了其中的对称性，使得射频信号可以转换为电磁辐射。

这个英国的研究团队认为对称性破裂的概念解释了介电材料可以传输电磁波的原因。“到目前为止这一机制还没有得到很好地理解，”论文的主要作者 Dhiraj Sinha说，这一项目也是他的剑桥大学博士后研究课题，而且他现在还是一件天线创业公司Oscion的CEO，该公司位于印度的大诺伊达。

电介质天线已经在使用中了，但对于片上使用来说还是太大了一点。所以Sinha及其同事并未选择现在已经有使用的介电材料，而是选择了压电薄膜。“通 常的电介质天线受到了制造技术的限制，因为我们不能将介电材料做成薄膜。压电材料则可以做成薄膜的形式，而这些薄膜的厚度可以做到100到20微米之 间。”Sinha说。

在他们的实验中，研究人员使用了沉积在压电薄膜上的两个相互交叉接触的压电滤波器，这种器件相似于现在智能手机中使用的晶振频率滤波器。当在对称模式 受到激励时，它们表现得和普通的LC电路完全一样，Sinha解释道。当在非对称模式下受到激励时，两个交叉接触中的一个受到了激励，而另一个则悬空激 发，压电滤波器则作为单极天线，事实上，这在某种程度上就是马可尼在1900年所描述过的天线。

在GPS频率（1575.42 MHz）的实验表明，新天线有高达60%的效率（指RF射频信号的功率转换成电磁辐射信号功率的百分比）。Sinha提到他们的天线能够辐射1瓦特的功率，这对于大部分的便携式设备来说是绰绰有余了。

对于他们接下来的实验，他们会尝试制造用于更长波长的绝缘天线。“我们在考虑200-600MHz的频段，这是一个很有趣的频段，因为如果我们成功了，我们就可以将电视机的天线做得很小很小。”Sinha说。