摘要:笔者在此短文中总结了十个天线词汇。按笔画排序为片上天线、阴阳天线、差分天线、柔性天线、封装天线、原子天线、液晶天线、量子天线、微凸天线、滤波天线。这十个词汇中原子天线与量子天线对笔者而言是生词汇,其余的都是笔者非常熟悉的词汇。
一.片上天线
片上天线(antenna-on-chip, AoC)是指利用硅基半导体工艺将天线与电路集成在同一个裸片上,实现系统级无线功能的一门技术。片上天线一词由片上系统一词(system-on-chip, SoC)派生而来。笔者建议将片上天线从片上系统中单列出来是为了强调天线的辐射特性不会随着工艺特征尺寸缩小而得到改进1。片上天线技术有望在太赫磁通信感知一体化片上系统中得到应用。
二.阴阳天线
阴阳天线(Yin-Yang antenna)由缝隙天线(slot antenna)与线天线(wire antenna)复合而成。阴阳天线的基本思想是在缝(阴)与线(阳)阻抗互补概念的基础上引入最佳互耦(类似于八卦图内黑中有白,白中有黑),从而在较宽的频带上实现阻抗匹配与方向图保形。阴阳天线一词由笔者提出,目前仅笔者采用2。不过笔者认为它较之缝隙-线复合天线一词来的简单,也许会在不久的将来被采用。
三.差分天线
差分天线 (differential antenna)是平衡天线(balanced antenna)的进阶。差分天线的定义侧重天线的激励,而平衡天线的定义则侧重天线的结构。差分天线可以是没有地 (ground)的,但必须有两个终端(terminal)用于直连差分激励源。差分天线也可以是有地的,地作为参考面,供形成两个单端口(single-ended port),连接幅度相同与相位相反的等效差分激励源。差分天线新的例子有差分短路微带天线(differential shorted patch antenna, DSPA),差分平面倒F型天线(differential planar inverted F antenna, DPIFA),差分层叠谐振天线 (differential laminated resonator antenna, DLRA)等。差分天线对应差分电路,顺应了集成系统天线与电路协同设计的潮流。近年来,经笔者推广,差分天线一词已开始得到越来越多人的采用3。
四.柔性天线
柔性天线 (flexible antenna)是使用导电材料在柔性基片上实现的天线。导电材料的选择(基于电导率)决定了天线性能,例如辐射效率。柔性基片的选择基于其介电特性、对机械变形(弯曲、扭曲和缠绕)的耐受性等。柔性天线具有质量轻、尺寸小、厚度薄和易共形等特点,在当前和未来通信、医疗等系统中显示出重要的应用前景4。
五.封装天线
封装天线(antenna-in-package, AiP)是基于封装材料与工艺,将天线与芯片集成在封装内,实现系统级无线功能的一门技术。 封装天线技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流,为系统级无线芯片提供了良好的天线解决方案,因而深受广大芯片及封装制造商的青睐。封装天线技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积,代表着近年来天线技术的重要成就。另外,封装天线技术将天线触角伸向集成电路、封装、材料与工艺等领域,倡导多学科协同设计与系统级优化。封装天线一词由笔者提出,目前已获得广泛采用5。
六.原子天线
原子天线(atom antenna)利用一种高激发态的原子(里德堡原子),实现比传统金属天线更宽的频谱探测范围和超高的电磁波探测灵敏度,可得到电磁场的强度、频率、相位和极化等信息6。
七.液晶天线
液晶天线(liquid crystal antenna)是指基于液晶材料介电常数连续可电调的特性所实现的可重构天线。液晶的损耗随着频率的上升而下降,并且其可调范围随频率上升而扩大,这使得液晶适用于高频。此外,液晶具有成本低、直流功耗小、线性度高等优点,所以基于液晶的频率可重构、极化可重构及方向图可重构天线研究与发展受到了关注7。
八.量子天线
量子天线(quantum antenna)作为一个开放的量子系统,通过与光子库的相互作用进行发射与接收,已经成为纳米光子学和纳米电子学的关键元件。量子天线可以通过等离子体金属、碳纳米管和半导体量子点等材料来实现8。
九.微凸天线
微凸天线 (microbump antenna)是一种全新的天线体系。其中一种结构是在微带天线的金属贴片上增加微型的金属体,以便引入新的辐射模式,提升天线的性能。很显然,微凸天线突破了微带天线结构设计上的局限,标志着印刷和集成天线结构设计从二维平面向三维立体的重要范式转变。微凸天线的三维立体结构设计仍然保留了微带天线二维平面结构设计的许多优点。比如,能集成、可共形 (一定程度),易制造(标准材料与工艺)、低成本等。笔者坚信微凸天线会成为太赫磁片上天线技术中的主流天线。微凸天线一词形象地反映出天线的结构特征,笔者在刚提出这一词汇时,还着实激动了一阵子9。
十.滤波天线
滤波天线(filtering antenna)兼具了天线稳定的带内辐射功能以及滤波器带外抑制、消除杂波的能力,从而使得整个射频前端架构的复杂性和体积尺寸大大降低,有利于实现通信系统的小型化和高集成化。滤波天线的概念与实现可以追溯到1929年10。近年来,滤波天线的研究与发展主要由华人学者在推动。
结束语
在学术与技术领域,词汇的提出者、术语的定义者、技术标准的制定者都属于拥有话语权(discourse power)的人。重视话语权,从自己做起,从现在做起!最后,就让我用一则与天线词汇有关的故事结束此文。故事的三位主人公皆是天线发展史上大名鼎鼎的人物。他们是乔治·辛克莱 (George Sinclair)、谢昆诺夫(Sergei A. Schelkunoff)与朱兰成(Lan Jen Chu)。1940年代中,辛克莱就词汇【雷达回波区域(radar echo area)】的定义与谢昆诺夫在美国无线电工程师协会(Institute of Radio Engineers)天线与传播委员会上发生争论。辛克莱认为谢昆诺夫有关雷达回波区域的定义有些问题,建议采用朱兰成给出的定义。后来谢昆诺夫有条件地同意了辛克莱的建议11,委员会也如期完成了有关天线标准词汇的定义12,于1948年出版发行,售价75美分。
参考文献
7. J. Shu, Y. P. Zhang, “Tailoring meta-liquid crystal for larger tunability,” Electromagnetic Science, vol. 1, no. 4, article no. 0040192, 2023.
8. https://arxiv.org/abs/2206.14065
12. IRE Standards on Antennas, Modulation Systems, Transmitters − Definitions of Term, IRE Standard, 1948. https://www.worldradiohistory.com/Archive-IRE/40s/IRE-1948-Antennas-Modulation-Transmitters.pdf