過去幾十年來，由于物聯網（IoT）設備、第五代（5G）無線系統、毫米波（mm-wave）和太赫茲（THz）等創新應用的激增，推動小型化、薄型、高性價比的天線出現爆炸式增長。并且，市場對小尺寸、高效率天線的需求似乎永無止盡。目前，業界已經開發出許多小型化技術來縮減天線的尺寸，例如負載材料、集總元件、幾何設計、超構材料（metamaterials）等。然而，傳統緊湊型天線的尺寸通常大于1/10電磁波長，這對于當前及未來的許多應用（例如植入式醫療器械等）來說仍然太大。
自從磁電（ME）復合材料在過去二十年的復興以來，基于直接（電極化的磁場控制）或反向（磁化的電場控制）ME耦合已經開發了各種多鐵性器件。還在理論上提出了用于天線小型化的新型ME天線概念，并在最近進行了實驗證明。機械驅動的ME天線被證明能夠獲得小得多的尺寸，因為其在機械諧振下工作，機械諧振的波長比相同頻率下電磁諧振的波長要短大約五個數量級。
薄膜體聲波諧振器（FBAR）和固態裝配諧振器（SMR）是體聲波（BAW）器件將聲能限制在壓電材料中的兩種主要幾何結構。要構建高品質因數的強機械共振，需要在相鄰介質中具有最小能量耗散的隔離結構。FBAR的聲學隔離是通過諧振板和襯底之間的空氣腔實現的，而SMR使用布拉格聲反射層將機械能限制在諧振板中。
布拉格聲反射層由具有受控厚度的高、低聲阻抗材料交替組成。由于聲阻抗失配，聲波在多層堆疊的每個界面處的反射阻止了機械能的泄漏。通過釋放犧牲層形成空氣腔的FBAR的缺點包括：（1）散熱能力有限，功率處理能力低；（2）錨結構脆弱，導致斷裂和低良率；（3）對制造過程中產生的膜應力需要嚴格控制；（4）包括釋放工藝在內的復雜制造工藝步驟。
另一方面，SMR位于布拉格聲晶格上，沒有任何懸掛結構，并且具有更高的功率處理能力、更簡單的制造工藝以及更高的良率。SMR還具有大大提高的機械魯棒性，使其能夠更容易地封裝并與集成電路（IC）集成。
據麥姆斯咨詢介紹，美國東北大學（Northeastern University）電氣與計算機工程系Nian X. Sun教授領導的一支聯合研究團隊展示了一種基于SMR的新型ME天線，通過將布拉格反射層的垂直傳播能量返回到聲學諧振器來最大限度地減少能量損失。這些ME天線具有200 ????直徑圓盤，在UHF（1.75 GHz）工作頻率下具有機械振動模式。由于布拉格聲反射層，這種基于SMR的ME天線的天線增益為-18.8 dBi，與相同尺寸的FBAR ME天線相當。測得基于SMR的ME天線的1 dB壓縮點（P1dB）為30.4 dBm，比相同尺寸的FBAR ME天線高23.3 dBm。高功率處理能力、高天線增益和簡單的制造工藝，使這種基于SMR的ME天線成為各類無線系統的理想選擇。該研究成果已經以“Mechanically driven SMR-based NEMS magnetoelectric antennas”為題發表于Advanced Engineering Materials期刊。
本研究所制造的SMR-ME天線的結構特性
FeGaB/SiO2多層膜的磁特性
本研究所提出的SMR-ME天線的1D Mason模型和2D有限元模型（FEM）COMSOL仿真結果
總結來說，從獨立膜FBAR設計開始，最新的機械驅動天線將天線的小型化推向了微米級。本研究所提出的用于ME天線的SMR結構，不僅提高了天線性能指標，而且簡化了制造工藝，具有更好的器件結構完整性和魯棒性。這種微型ME天線，利用SMR將能量限制在磁致伸縮/壓電異質結構中，改善了天線輻射。這種新型SMR-ME天線的外形尺寸為700 ???? x 700 ????（L x W），利用1D Mason模型和2D COMSOL FEM仿真進行設計和優化，可在1.75 GHz諧振頻率下工作，通過實驗證明增益為-18.8 dBi。此外，通過提高SMR品質因數并優化諧振器信號饋線的阻抗匹配可以進一步改進器件性能。
這種SMR-ME天線相比FBAR天線表現出更強大的功能。憑借其體積小、工作頻率高、靈敏度高、結構穩定、半導體加工集成以及良好的功率處理能力，成為小型微波天線和遠程無線傳感應用的理想器件，可用于小型無人機、生物植入式天線、可穿戴天線、物聯網、NFC近場通信、RFID射頻識別、衛星以及更多現有和未來的應用。
與傳統天線相比，理論上也證明了在相同尺寸和工作頻率下，這種ME天線具有更高的效率。憑借更好的功率處理能力，具有更高輸入功率的SMR-ME天線能夠在植入式生物醫學應用中產生更強的電磁波。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adem.202300425
