你沒看錯(cuò)！GHz通信天線可集成到芯片上

　　有點(diǎn)常識(shí)的人都知道，雙極或單極金屬天線的長(zhǎng)度至少要達(dá)到所對(duì)應(yīng)的信號(hào)波長(zhǎng)的八分之一，這樣才能發(fā)送出足夠的能量。對(duì)于千兆赫（GHz）級(jí)的信號(hào)傳輸（主要是移動(dòng)通信信號(hào)）來說，信號(hào)的波長(zhǎng)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(shí)，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(xiàng)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(gè)概念試驗(yàn)中，英國(guó)劍橋大學(xué)和特丁頓國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)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(shí)而不會(huì)給信號(hào)傳輸帶來明顯的損失，而這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(píng)論快報(bào)》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(hào)時(shí)，介電材料會(huì)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(dòng)能夠產(chǎn)生電磁波，但為什么沒有電子流動(dòng)的絕緣材料也會(huì)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(jì)的工程師靈感

　　這個(gè)研究小組的負(fù)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(shí)用無線電報(bào)通信的創(chuàng)始人）1900年在英國(guó)申請(qǐng)的著名專利（7777號(hào)專利：調(diào)諧式無線電報(bào)）中的一個(gè)有趣但鮮有人關(guān)注的細(xì)節(jié)。其中描述了一個(gè)連接到一根天線的發(fā)射器，而該天線又連接到了一個(gè)線圈上。該線圈一段懸空，而射頻信號(hào)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(duì)稱的耦合允許所述RF電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡椛?。研究人員意識(shí)到正是這種非對(duì)稱性（或稱“破碎的對(duì)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(jì)的技術(shù)中看到這樣的對(duì)稱性破碎：在電視機(jī)出現(xiàn)的早期的幾十年，電視臺(tái)使用雙線帶從屋頂?shù)腣HF天線上向電視機(jī)發(fā)送射頻信號(hào)而不會(huì)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(dòng)，相位也是相反的。因?yàn)槠揭茖?duì)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(huì)有凈輻射進(jìn)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(duì)稱性，使得射頻信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為電磁輻射。

　　這個(gè)英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為對(duì)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(jī)制還沒有得到很好地理解，”論文的主要作者Dhiraj Sinha說，這一項(xiàng)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(dá)。

　　電介質(zhì)天線已經(jīng)在使用中了，但對(duì)于片上使用來說還是太大了一點(diǎn)。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?！巴ǔ５碾娊橘|(zhì)天線受到了制造技術(shù)的限制，因?yàn)槲覀儾荒軐⒔殡姴牧献龀杀∧?。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。”Sinha說。

　　在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了沉積在壓電薄膜上的兩個(gè)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(jī)中使用的晶振頻率濾波器。當(dāng)在對(duì)稱模式受到激勵(lì)時(shí)，它們表現(xiàn)得和普通的LC電路完全一樣，Sinha解釋道。當(dāng)在非對(duì)稱模式下受到激勵(lì)時(shí)，兩個(gè)交叉接觸中的一個(gè)受到了激勵(lì)，而另一個(gè)則懸空激發(fā)，壓電濾波器則作為單極天線，事實(shí)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(shí)驗(yàn)表明，新天線有高達(dá)60%的效率（指RF射頻信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換成電磁輻射信號(hào)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(duì)于大部分的便攜式設(shè)備來說是綽綽有余了。

　　對(duì)于他們接下來的實(shí)驗(yàn)，他們會(huì)嘗試制造用于更長(zhǎng)波長(zhǎng)的絕緣天線?！拔覀?cè)诳紤]200-600MHz的頻段，這是一個(gè)很有趣的頻段，因?yàn)槿绻覀兂晒α?，我們就可以將電視機(jī)的天線做得很小很小?！盨inha說。