CN103703613A

CN103703613A - 装置和方法

Info

Publication number: CN103703613A
Application number: CN201280026420.6A
Authority: CN
Inventors: C·洛; A·史蒂文森; K·萨尔马; D·J·奥尼尔
Original assignee: CAMTECH INVESTMENTS Ltd
Current assignee: CAMTECH INVESTMENTS Ltd
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-04-02
Also published as: GB2489524A; WO2012131376A1; EP2695239A1; GB201105569D0

Abstract

本发明涉及电声天线。本发明描述了一种电磁波天线，该天线包括：压电材料条，该压电材料条具有长度和垂直于所述长度的横截面，其中所述长度是所述条的所述横截面的横向尺寸的至少5倍；第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述压电材料条上并沿着所述条的所述长度被隔开；以及其中所述压电材料条在沿着所述条的所述长度的纵向方向上具有固有的偏振性。

Description

装置和方法

技术领域

本发明涉及电声天线。

背景技术

WO2009/081089中描述了由压电材料制成的天线。然而，在现有技术中存在着对使用大体上为平板形式的压电材料的偏见。虽然WO2009/081089中的图8b示出了八木型天线，但是压电杆提供了谐振元件并且没有被最佳的驱动。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种电磁波天线，该天线包括：压电材料条，该压电材料条具有长度和垂直于所述长度的横截面，其中所述长度是所述条的所述横截面的横向尺寸的至少5倍；第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述压电材料条上并沿着所述条的所述长度被隔开；以及其中所述压电材料条在沿着所述条的所述长度的纵向方向上具有固有的偏振性。

在一些实施方式中，提供了沿着所述条的所述长度被隔开的一对（或更多）电极，以促进天线的差分驱动和有效操作以用于电声信号的传输或接收。在一些优选实施方式中，电极的间距被选择成与天线所耦合到的电路的阻抗（例如，大约50欧姆或大约75欧姆）大体上匹配（本领域技术人员将意识到，通过改变电极之间的间距，电极之间的有效电压也将被改变）。

可选地，在一些实施方式中，可采用3个或以上的电极来耦合到压电条，以再次为了获得改进的耦合/效率。在一些实施方式中，由于这些电极之间的相位延迟，这些电极中的一个或多个可以被提供有相位匹配元件（例如，延迟线）和/或这些电极可以耦合到变压器或平衡/不平衡变压器的不同抽头。这种布置促进了采用高Q天线很难实现的相位匹配。

在一些实施方式中，压电材料条的长宽比（也即条的长度与最大横向横截面尺寸的比率）为至少10:1、20:1或50:1。通常，条的横截面可以是任意形状，但是在一些实施方式中通常是正方形、矩形、圆形或椭圆形。（本领域技术人员将意识到，这里，“条”包括诸如、杆、线或须之类的形状）。

在一些实施方式中，可以沿着条的长度有间隔地、优选以有规则的间隔布置多个电极对。在一些实施方式中，可以将相反极性的电极进行交错。这促进差分驱动/信号放大。

在一些优选实施方式中，在压电条的一个或多个纵向表面或面上提供介电材料层，例如诸如PMMA的聚合物层。这有效地将电荷回收至压电条的表面并因此便于天线有效地与电磁辐射耦合。可选地，可以在条的一端或两端提供额外的镀金属层，以产生更陡峭的（声）阻抗转换，再次有利于增加效率。在一些实施方式中，天线被支撑在沿着条的一个或多个位置处，在这些位置处，声振动大体上是最小的。

在一些实施方式中，压电条的高长宽比本质上增强了天线的Q。高Q使得天线能够被使用在具有很少或无RCL谐振元件的电路中，也即被使用在接收和/或发射电路中，其中，电路的操作或调谐的谐振频率由天线的谐振频率控制或主导。

潜在地，可以采用任意的压电材料。适当材料的示例包括但不局限于石英、氮化铝、氧化锌、金刚石和其他材料。

在一些实施方式中，由于压电材料是相对不导电的，所以许多天线可以彼此邻近，例如位于电磁辐射的一个波长的距离之内，但并没有通过去调谐或一些其他不利方式来明显地互相影响。因此，为了增加总信号输出水平，可以以二维或三维阵列的方式布置多个天线。在一些实施方式中，多个阵列可以在不同的层中迭代有不同的、优选大体上正交定向的天线。另外地或可替换地，多个正交压电条天线可以被组合以用于接收/发射多个偏振。

在一些实施方式中，压电材料条的长度是在压电材料条中纵向行进并具有所发射和/或接收到的电磁波的频率的声波波长的整数倍。取决于材料，100MHz电磁（EM）波的波长可以是50μm量级，但是为了便于制造天线，天线的长度可以是n个半波长，其中n是至少5、10、20、30、40、50、100或更多。因此，天线的长度可以是毫米量级，以大大地便于制造，同时仍然远小于传统金属四分之一波偶极子，以及同时还保持天线的其他优势，这些优势包括例如极高的Q。

因此，在另一方面，本发明提供一种接收或发射电磁（EM）波的方法，该方法包括将电磁波耦合到压电材料条中以便该EM波在压电材料条中引起纵向声振动，以及其中压电材料条的长度大体上等于在EM波的频率处进行纵向声振动的半波长的整数倍。

在一些实施方式中，纵轴被选择以定义压电材料的大体上最大的固有偏振性的方向。在一些实施方式中，条的长度是至少0.01mm、0.1mm或1mm。在操作的谐振频率处，天线可以具有至少10³、优选至少10⁴的Q。

在又一方面中，本发明提供一种使用压电材料形成电声波天线的方法，该方法包括：对压电材料中电荷的表面波图案进行励磁，电荷的图案在两个维度上水平地延伸；以及使用电荷的图案来形成电磁波天线。

本发明还提供一种压电天线，该天线包括：压电材料的衬底；至少一组电极，用于对所述压电材料中的电荷的表面波图案进行励磁，所述电荷的图案在两个维度上水平地延伸；以及用于使用相同或附加的所述电极将所接收或发射的电磁波信号耦合到或耦合出天线的模块，其中所述电荷的图案形成所述天线。

在一些优选实施方式中，电荷的表面波图案是电荷的驻波图案，尤其是在压电材料的2D表面上分布的正电荷和负电荷的大体静止的图案。在一些实施方式中，电荷分布形成一个方向上位于表面上的纹波，但是在其他方向上表面驻波在表面的两个水平维度中是具有空间周期性的。在一些实施方式中，表面电荷的驻波图案可以由相互交错的电极指部产生，并且这些电极的配置可以被控制以控制表面电荷的图案，例如对电极进行切趾和/或控制电极宽度。本领域技术人员将意识到可以采用的各种类型的电极配置，例如，用于线性调频脉冲滤波器（chirp filter）的分散配置。用于将所接收或发射的电磁波信号耦合到或耦合出天线的模块可以包括例如射频耦合元件，诸如连接到电极以驱动压电材料中的声振动的电容器；本领域技术人员将意识到存在着许多替代。

在一些实施方式中，电极对来自一个或一对（邻近）横向边缘的声波进行励磁，以对一个方向或在一些实施方式中一对正交方向上的声波进行励磁以产生电荷的2D表面图案或者等离子体（所励磁的电荷可以被看作等离子体）。如之前提到的，定义荷电区域的间距的声波长度可以是10⁵的量级，即比电磁波波长小10⁵倍（可以从速度=频率x波长中得到）。因此驻波可以在X或Y方向（这些是设备的水平表面上的方向）上产生，驻波之间的干扰产生电荷的“地毯”图案。（驻波可以通过在特定方向上在表面中发送行波来产生）

电荷在表面上的周期性分布可以因此被定义并被控制，例如通过控制电极配置和/或电极模拟。该电荷图案因此可以是固定的或者可变的/可控的。在一些实施方式中，电荷的驻波图案定义了相阵天线，并且以此方式天线可以被提供有由所产生的电荷图案所控制的一个或多个方向性响应。广而言之，电荷图案可以被当做天线分布的图像。

在优选的实施方式中，表面波包括压电材料的表面波模式，但在其他实施方式中，表面波可以在压电材料的隔膜中产生——期望的结果是能量应当被主要限定在压电材料的表面处，因为实际上该材料体积中的能量将被浪费。

在替代的方法中，表面波图案可以包括随时间变化的2D分布电荷，其频率与将被传送或接收的电磁波的频率大体上匹配。这可以例如通过应用具有长波长的波或者通过从下表面发送波或者通过从后对压电材料进行励磁来实现。该随时间变化的电荷分布可以被认为是驱动或接收电磁波的活塞。广义而言，分布的宽度由底层电极的宽度定义；材料的厚度可以被布置成与谐振模式相匹配。在一些实施方式中，该材料可以被提供有例如在压电材料周围的接地面，或者可替换地这可以通过压电天线采用的环境来提供。图案的大小可以大于或小于声波波长但将小于电磁波长。被励磁的图案的形状范围可以包括但不局限于圆形、正方形或矩形或椭圆形图案。

在一些实施方式中，压电材料的表面可以是曲面，例如凹面或凸面，以引导辐射传输/接收图案。天线可以被用来发射电磁辐射或者接收电磁波（例如通过检测压电材料上电荷空间分布的变化或修改）。

附图说明

现在将参考附图，并仅以示例性的方式来进一步描述本发明的这些和其他方面，其中：

图1是中心“反馈”信号耦合方法/几何形状。这是最简单的天线迭代。其基本结构包括压电须，其中正弦射频电压被馈送给由间隙所分离的两个金属电极。该间隙决定天线的阻抗，并且因此决定从发射器到纵向（或者扭转或者在更低频率时为弯曲）电声波中的能量传递，其反过来变成被辐射的电磁波，反之亦然；

图2是多相位信号耦合方法/几何形状。这是更复杂的结构，其中不是向两个金属电极施加正弦射频，而是以类似“斑纹”的图案添加若干其他电极以便调整阻抗和带宽。这里，我们考虑对所施加信号的相位的外部电子调整，以实现在所述须中引起的电声驻波的有建设性干扰；

图3是变压器耦合方法/几何形状。这是更传统的耦合结构的示例，其中变压器的次级绕组的多个抽头点被连接到施加到压电须的“斑纹”电极图案的多个电极点。该配置和其他类似的变压器/平衡-不平衡变压器布置允许我们根据初级线圈与次级线圈的匝比来减少天线的阻抗；

图4是单相位信号耦合方法/几何形状。压电须上的“斑纹”电极图案被布置以使得在每个电极之间存在着180°的相位差。这意味着每360°能够从一群同相电极中抽取信号，这群同相电极与具有相同间隔的另一群电极一起使用但是该另一群电极相对于第一群电极被移位了180°，最终结果是能够使用最低数量的单相位馈送来耦合到该结构中并同时保持高Q因子；

图5是全向须天线。这里，根据所提到的方案，将须布置成与连接到天线元件的导线正交。在该外观中，正交天线能够从多个偏振和从不同方向接收波，从而使得其在很大程度上是全向的。应该注意，为了增强方向性，进一步的有线或无线须能够以与定向八木天线结构相类似的方式被布置成与下面的其中一个元件并联；

图6是安装好的须天线。这些结构指示须，尤其那些长度为毫米的须，如何能够被安装以避免减弱电磁波和减少天线的效率。安装点接近于所选择的电声波谐振模式的节点；

图7是平面电声（EA）天线。须的设计还能够被实施为平面版本，其更容易根据通常用于SAW和QCR（石英晶体谐振）振荡器的压电晶圆来制造。电极使用标准光刻方法来形成以将电极布置在中央反馈位置处，并且根据相关晶格而从晶圆上切割出天线元件。该形式也提供了将电声波以及因此电荷引导/诱捕到一个表面上的机会，以便表面阻抗能够更好地与自由空间匹配从而给出最大的辐射耦合；

图8是悬浮电声（EA）元件。悬浮电声元件进一步开发了该思想，以便不利用大的平面结构的天线，而是利用光刻技术来后向刻蚀涂覆有压电薄膜的硅晶圆以给出由电极（或通过其他方法）悬浮的元件，以使得悬浮薄膜结构可沿着其长度自由振动。该电路耦合方法借助以下任何一个：之前描述的类似斑纹的图案、相互交错的电极结构或者其他电感装置；

图9是单层EA阵列。这些悬浮元件可以是二维2D中多个悬浮结构共线性的一部分，其中一些或所有元件耦合到接收器或收发器。这能够集成到RFID芯片中，以便产生紧凑的接收和发射结构；

图10是集成的多层EA阵列。共线阵列的堆叠能够产生紧凑的三维3D天线结构，该结构能够非常有效地抽取/提取至相关RF芯片组的接收器前端的之前描述的无线电能量连接。每个层还能够在不同方向上被偏振以最大化现实环境中的耦合。

具体实施方式

电声天线

我们将描述更大的电声天线形式，其具有微米至毫米的尺寸以用于在KHz至GHz频率范围中进行操作。

参照附图和以上对图形的描述，我们将进一步描述改进辐射效率、耦合效率和Q因子以改进电声天线性能的关键结构特征。

须天线和斑纹电极

为了描述这些设计，我们从最简单的天线形式，即基于须的单偶极子压电天线（图1）形式开始。

这些优点包括：

·其因相对于其体积的更大辐射表面面积而具有更大的辐射效率。（我们在耦合电磁辐射方面受益，因为将常规地用作源的加速电荷不再因被埋在晶体内部而被屏蔽）

·类似于长的长宽比，我们在偶极子动量方面受益，从而再次增加了辐射效率。

·Q因子也因窄宽度而被改善，这更好地定义了其频率。

为了受益于该效率，须应当也优选地被匹配用于基频和谐波处的无线电信号性能。为此，我们将电极布置在半波的中心点附近（图1），其对周围电路的电阻抗非常低。如果需要更低的阻抗，则也可以将多个元件安装在并联阵列中。

对于单个元件，阻抗变换器能够由单个须制成。这里，我们因电声波的分布而做出具有若干并联电极的“斑纹”图案（图2），这些电极之间具有小相位差（<45度）。该方案降低了电极阻抗，但无需使用多个元件。为了使用这些信号，它们的单独相位应当与电荷耦合器件或适当网络相干。类似结果能够使用匹配变压器或平衡-不平衡变压器来实现以对阻抗进行变换（图3）。

如果需要窄的操作频率范围，则上述多点电极的间距应当与电声节点和电声波的反节点相匹配（图4）。这种类型的阻抗变换器因电声波与电极位置之间的紧密配合而导致高Q因子，该高Q因子反过来改进了选择性和辐射性能。

有益的是须的表面阻抗能够进行调整以将其与自由空间阻抗相匹配。这或许需要表面涂覆，该表面涂覆可以通过邻近的介电薄膜或非邻近的介电薄膜图案来实现。

偏振性对于发送和接收无线电信号也是重要的。例如，十字对设计或须三元组（图5）能够提供不具有方向选择性的全向图案，方向选择性能够对具有频繁黑点和漏码的RFID标签进行折中。

采用并联组合的具有不同长度的多个元件进行信号处理也是可能的。这与改变表面声波换能器（其因它们的信号处理能力而被大家所知）的周期性相类似。例如，通过根据特定功能来改变元件的长度，带通滤波器能够被构建到多须天线中。

在上面的所有情况中，天线需要被恰当地安装，以便能够实现至收发器的电气连接。因此，最可取的是在沿着须的静态节点处进行安装和电气连接。

总之，如果下面的边界条件中的任意一者能够满足的话，须便能够振动：边界-边界、边界-自由或自由-自由（图6）。显然，对于刚性安装，边界-边界是合适的，然而如果须非常短，则自由-边界也是合适的。

长度是10mm的须将以大约100kHz的基频进行操作。对于相同长度的须而言，如果电极间距被改变以支持比方说10个波长（其将以1MHz的谐波进行谐振）或1000个波长（其将以1GHz进行谐振）的话，则能够实现更高的频率。但是，显然，能够根据应用限制（包括方向性、频率和大小）来进行调整。显然，对于RFID应用而言，实现小尺寸和非常低的操作频率的可能性是有吸引力的。另一方面，低频更容易使用这些天线配置来实现。

瞬逝波天线和斑纹电极

须的另一变型是瞬逝波形式（图7）。这是矩形条而非圆柱形式，并从谐振瞬逝波（诸如在表面中传播的拉夫波）中产生无线电波。类似于须，励磁采用位于中心或者沿着其长度分布的相互交错电极结构（图8）进行。與SAW器件不同，这些具有用于创建谐振波而非驻波的端反射器。益处是容易从压电晶圆进行传播、天线的自支持特性及其容易与基于芯片的电路进行集成。根据已知技术也能够从压电薄膜构建谐振lamb和Rayleigh模式，但是其要被修改以确保对于它们的反射而言端部是自由的以产生驻波。

形成元件多样性的进一步优点是能够通过将天线并联在一起以形成2D阵列（图9）或者堆叠以在3D（图10）上延伸无线电捕获来实现天线增益。这能够实现具有高捕获效率的非常紧凑的尺寸，从而增加尺寸趋向于减小的RFID标签或其他通信产品的潜在性能。

以下将描述如上所述的本发明的各个方面和实施方式的进一步提升。这些可选地被单独使用或者与上面描述的实施方式中的任一或所有结合使用。

·使用方法来在器件表面处捕获电声波以使得辐射效率最大化

·使用表面引导的电声波将电荷带到表面上以使得辐射效率最大化

·使用2D压电片或“板”来经由其表面上的电荷图案来垂直于其表面进行辐射

·控制电声波的分布以给出表面中的周期性电荷图案，以在压电片上/中人为地揉合天线形式

·控制电声波分布以在2D表面上产生周期性空间电荷图案

·控制电声波分布以产生电荷的周期性时间分布

·使用时间和/或空间电荷图案以产生由调制电荷形成的可控天线阵列

·使用半导体层放大电荷波

·调整集肤深度以将表面阻抗匹配到自由空间，以因此增强辐射效率

·使用中间阻抗的涂覆来将电声波匹配到自由空间

·在天线元件之间使用偶极子耦合来产生强化的3D结构

·经由直接电极、感应线圈或微波带状线方法来耦合到天线元件

毫无疑问，对于本领域技术人员而言，将会出现很多其他有效替代。应当理解，本发明并不局限于所描述的实施方式并且涵盖对本领域技术人员显而易见且位于所附权利要求的精神和范围内的修改。

Claims

1.一种电磁波天线，该天线包括：

压电材料条，该压电材料条具有长度和垂直于所述长度的横截面，其中所述长度是所述条的所述横截面的横向尺寸的至少5倍；

第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极布置在所述压电材料条上并沿着所述条的所述长度被隔开；以及

其中所述压电材料条在沿着所述条的所述长度的纵向方向上具有固有的偏振性。

2.根据权利要求1所述的电磁波天线，其中，所述纵向方向定义了所述压电材料大体上最大的固有偏振性的方向。

3.根据权利要求1或2所述的电磁波天线，其中，所述长度是至少0.01mm、0.1mm或1mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的电磁波天线，其中，在谐振频率处，所述天线具有至少10³优选至少10⁴的Q因子。

5.根据前述任意一项权利要求所述的电磁波天线，该天线包括至少三个沿着所述条的所述长度被隔开的所述电极。

6.根据权利要求5所述的电磁波天线，该天线还包括耦合到所述电极的多个相位匹配元件或变压器。

7.根据前述任意一项权利要求所述的电磁波天线，该天线包括多对沿着所述条的所述长度有间隔地布置的所述电极。

8.根据前述任意一项权利要求所述电磁波天线，该天线还包括位于所述压电条的至少一个表面上以增强所述条中的电磁辐射与声振动的耦合的介电材料层。

9.根据前述任意一项权利要求所述的电磁波天线，该天线还包括支撑层，并且其中所述天线被安装在所述支撑层上大体位于所述天线的最小声振动的位置处。

10.根据权利要求1至9中任意一项权利要求所述的一组大体上相互正交的电磁波天线。

11.根据权利要求1至9中任意一项权利要求所述的电磁波天线的大体二维阵列。

12.根据权利要求11所述的电磁波天线的阵列堆叠。

13.根据权利要求12所述的堆叠，其中，所述堆叠的不同层中的所述电磁波天线大体上彼此正交定向。

14.根据前述任意一项权利要求所述的与天线信号接收或驱动电路相组合的电磁波天线、集、阵列或堆叠，其中所述天线控制所述电路的操作频率。

15.一种使用压电材料形成电磁波天线的方法，该方法包括：

对所述压电材料中的电荷的表面波图案进行励磁，所述电荷的图案在两个维度上水平地延伸；以及

使用所述电荷的图案来形成所述电磁波天线。

16.一种压电天线，该天线包括：

压电材料的衬底；

至少一组电极，用于对所述压电材料中的电荷的表面波图案进行励磁，所述电荷的图案在两个维度上水平地延伸；以及

用于使用相同或附加的所述电极将所接收或发射的电磁波信号耦合到或耦合出所述天线的模块，其中所述电荷的图案形成所述天线。

17.根据权利要求15或16所述的方法或天线，其中，所述表面波图案是表面驻波图案。

18.根据权利要求17所述的方法或天线，其中，所述表面驻波图案在两个水平维度上是空间周期性的。

19.根据权利要求17或18所述的方法或天线，该方法或天线还包括使用相互交错的电极对所述波图案进行励磁并将所述电极配置成控制所述电荷的图案。

20.根据权利要求17至19中任一项权利要求所述的方法或天线，其中，所述励磁包括在两个横向边缘上对所述压电材料进行励磁，每个所述励磁产生大致为带式的电荷图案，其中所述带通常平行于所述横向边缘，以便所述带式图案相互交互以建立电荷的所述二维驻波图案。

21.根据权利要求17至20中任一项权利要求所述的方法或天线，其中，所述电荷的表面驻波图案定义相阵天线，并且其中所述天线具有由所述电荷的图案控制的方向性响应。

22.根据权利要求15或16所述的方法或天线，其中，所述表面波图案包括随时间变化的二维分布电荷，并且其中所述时间变化的频率大体上与所述电磁波的频率相匹配。

23.根据权利要求15至22中任一项权利要求所述的方法或天线，其中，所述压电材料包括材料片或隔膜。

24.根据权利要求15至23中任一项权利要求所述的方法或天线，其中，所述压电材料的表面是曲面的以引导由所述天线接收或传送的电磁波。