體聲波介導(dǎo)磁電天線的研究進(jìn)展與技術(shù)框架

任萬(wàn)春 陳鍶 高楊 李君儒 彭春瑞

（1. 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010；2. 重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044；3. 電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054）

引 言

天線是無(wú)線通信設(shè)備射頻(radio frequency, RF)前端的基礎(chǔ)元件，通過(guò)將傳輸線上的導(dǎo)行波與自由空間傳播的電磁波相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電波的輻射與接收，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、便攜式設(shè)備、RF識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)等通信設(shè)備. 5G通信等新技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)天線性能的要求日益提高. 天線朝著小型化、定制化、智能化等方向持續(xù)發(fā)展，面臨以下原理性難題：尺寸微縮難(大于λ0/10)、阻抗匹配難(鏡像電流反射)、輻射效率低(電流歐姆損耗)等[1].

近年來(lái)，在美國(guó)國(guó)防前瞻研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)“機(jī)械天線”(A MEchanically Based Antenna, AMEBA)項(xiàng)目[2-3]等的推動(dòng)下，對(duì)機(jī)械天線的探索日益深入[4-5]. 研發(fā)機(jī)械天線的初衷是為了針對(duì)甚低頻(very low frequency, VLF)頻段(3～30 kHz)透地/水下報(bào)文通信、特低頻(ultra low frequency, ULF)頻段(0.3～3 kHz)單兵遠(yuǎn)程通信發(fā)射天線的戰(zhàn)略需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械天線機(jī)理“從0到1”的顛覆性創(chuàng)新. 本文的分析表明，機(jī)械天線具有更深遠(yuǎn)的意義——將為常規(guī)天線的原理性桎梏提供一個(gè)可根治的全新方向和可能.

本文基于器件物理本質(zhì)首次準(zhǔn)確定義的“體聲波(bulk acoustic wave, BAW)介導(dǎo)的磁電(magnetoelectric, ME)耦合天線(簡(jiǎn)稱BAW ME天線)”概念，就是一種新型的“磁源型”天線或機(jī)械天線. 現(xiàn)有研究已證明BAW ME天線在技術(shù)上的可行性[6-8]，但知識(shí)體系還遠(yuǎn)未確立，基本概念極為含混. 為此，本文在深入認(rèn)識(shí)機(jī)械天線物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了理論溯源、分類(lèi)梳理；并以BAW ME天線為典型案例，綜述了BAW ME天線技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)一步給出了解決這些問(wèn)題的技術(shù)方案框架.

1 對(duì)機(jī)械天線的再認(rèn)識(shí)

回歸天線的物理本質(zhì)——廣義Maxwell方程組所規(guī)定的電流/電荷源(即電偶極子)、磁流/磁荷源(即磁偶極子)這兩種基本驅(qū)動(dòng)場(chǎng)源，相應(yīng)地，可以將天線劃分為兩種基本類(lèi)型：電(流/荷)源型和磁(流/荷)源型. “電源型”的工作原理：依靠天線中的電(流/荷)振蕩，激發(fā)出電磁輻射(電-電磁換能). 而“磁源型”天線的工作機(jī)理與“電源型”迥異：依靠天線中的磁(流/荷)振蕩，激發(fā)出電磁輻射. 由于磁(流/荷)振蕩，可通過(guò)電荷/恒定電場(chǎng)/永磁體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)得到[9]，因此也稱為“機(jī)械天線”.

如圖1所示，將現(xiàn)有機(jī)械天線方案劃分為兩類(lèi)：機(jī)械運(yùn)動(dòng)式與聲波激勵(lì)式. 機(jī)械運(yùn)動(dòng)式天線包括線運(yùn)動(dòng)機(jī)械天線和旋轉(zhuǎn)機(jī)械天線，利用經(jīng)典的機(jī)械方法使駐極體/永磁體做線/面運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁輻射. 然而，該方案對(duì)磁流/磁荷的機(jī)械運(yùn)動(dòng)要求很高，顯得“過(guò)于機(jī)械”了：不僅對(duì)材料、環(huán)境和控制等要求苛刻，而且難以實(shí)現(xiàn)大陣列(實(shí)用化所需)中諸多單元的高精度機(jī)械同步[10].

圖1 機(jī)械天線的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)：物理本質(zhì)、理論溯源與分類(lèi)Fig. 1 Further understanding of the mechanical antenna:physical essence, theoretical origin, and its classification

聲波激勵(lì)式天線不需要外部機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可利用ME材料中壓電、壓磁兩相耦合的強(qiáng)ME耦合效應(yīng)等方式，實(shí)現(xiàn)“電-機(jī)(力、磁)-電磁”換能. 聲波激勵(lì)已有兩種成熟技術(shù)：表面波(surface acoustic wave,SAW)和BAW. 盡管SAW和磁致伸縮材料之間可產(chǎn)生一定的相互作用，但僅在準(zhǔn)靜態(tài)或kHz頻段才有強(qiáng)ME耦合效應(yīng)[11]. 因此，SAW的聲波激勵(lì)無(wú)法滿足RF頻段的需求. BAW的聲波激勵(lì)是當(dāng)前RF頻段機(jī)械天線最有前途的解決方案[12]：天線的輻射頻率取決于其基本構(gòu)件之一的BAW諧振器(也是BAW濾波器的基本構(gòu)件)，BAW諧振器目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)Hz～20 GHz的RF頻譜覆蓋，且在這些頻點(diǎn)下仍然能夠獲得強(qiáng)ME耦合效應(yīng). 這種以BAW聲波激勵(lì)的應(yīng)變作為ME耦合效應(yīng)的介導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生磁流/磁荷振蕩的機(jī)械天線，簡(jiǎn)稱為“BAW ME天線”.

2 BAW ME天線的研究進(jìn)展

BAW ME天線屬于微納尺度的體模式機(jī)械天線，利用一種全新的作用機(jī)理——“ME耦合效應(yīng)”產(chǎn)生并輻射電磁波，這是實(shí)現(xiàn)機(jī)械天線“電-機(jī)(力、磁)-電磁”換能工作原理的基本環(huán)節(jié). 其中最核心的發(fā)射元，主要由BAW諧振器與磁致伸縮薄膜構(gòu)成.

BAW諧振器. 作為BAW ME天線的電激勵(lì)元件，實(shí)現(xiàn)“電-機(jī)(力、磁)-電磁”換能中的“電-機(jī)”一環(huán).1965年Mortley[13]首次提出BAW器件的概念，而第一代BAW器件的工作頻率小于200 MHz[14]. 通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system, MEMS)工藝的改善與壓電薄膜的更新?lián)Q代，1999年可量產(chǎn)1.9 GHz的BAW雙工器[15-16]. 2008年制備出工作頻率高達(dá)K波段的BAW器件，但因壓電膜太薄引發(fā)的可靠性問(wèn)題無(wú)法納入應(yīng)用[17]. 2018年研制了工作頻率5.25 GHz的商用水平器件，適合5G 通信在Sub-6G (1～6 GHz)頻段的應(yīng)用[18-19].

復(fù)合ME薄膜及ME耦合效應(yīng). 復(fù)合ME薄膜，實(shí)現(xiàn)BAW ME天線“電-機(jī)(力、磁)-電磁”換能工作原理中的“機(jī)-電磁”一環(huán). 其ME耦合效應(yīng)的研究可追溯到1894年Curie[20]提出的本征ME耦合效應(yīng)概念. 1961年，Rado等[21]在Cr2O3單晶中首次觀察到了ME耦合效應(yīng)，然而，單相ME材料無(wú)法在室溫呈現(xiàn)穩(wěn)定的ME耦合效應(yīng)，制約了ME材料的應(yīng)用.1972年，Suchtelen[22]首次提出ME復(fù)合材料的概念，該材料可以通過(guò)應(yīng)力/應(yīng)變傳遞實(shí)現(xiàn)鐵電相和鐵磁相之間的耦合，但沒(méi)有納入應(yīng)用. 直到21世紀(jì)初，隨著“2-2型”ME復(fù)合薄膜/多鐵薄膜(即將鐵電、鐵磁兩相薄膜材料交替沉積在基片上，得到的一種疊層結(jié)構(gòu))的出現(xiàn)，ME耦合效應(yīng)的研究始呈井噴之勢(shì)[23]. 2017年8月，美國(guó)DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室(Microsystems Technology Office, MTO)啟動(dòng)了AMEBA項(xiàng)目[2-3]，針對(duì)軍用透地與水下電磁波通信的盲點(diǎn)和痛點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)“通過(guò)機(jī)械移動(dòng)受陷電荷(駐極體)/磁體以產(chǎn)生電磁場(chǎng)的ULF與VLF發(fā)射天線樣機(jī)研制”. AMEBA項(xiàng)目第1階段資助的6家單位中，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(University of California,Los Angeles, UCLA)所采用的就是ME方案. 此外，ME薄膜在傳感、存儲(chǔ)等領(lǐng)域的研究也方興未艾[24-25].

BAW ME天線. 早在1961年Rowen等利用聲驅(qū)動(dòng)鐵磁性釔鐵石榴石(yttrium iron garnet, YIG)球[26]，便實(shí)現(xiàn)了電磁輻射，構(gòu)成了壓磁天線的雛形.1973年，Mindlin[27]將這一想法轉(zhuǎn)化為壓電材料，并對(duì)振動(dòng)石英片輻射出的電磁功率進(jìn)行了分析評(píng)估，構(gòu)成了壓電天線的雛形. 此后，直至2015年，UCLA的Yao等[28]才首次提出如圖2所示的“BAW介導(dǎo)的多鐵天線”概念，將BAW諧振器引入到機(jī)械天線結(jié)構(gòu)之中. 2017年，美國(guó)東北大學(xué)(Northeastern University, NEU)的Nan等[6]報(bào)道了一種“聲驅(qū)動(dòng)納機(jī)電ME天線”，如圖3所示，采用了懸浮的FeGaB(鐵磁)/AlN(壓電)ME復(fù)合薄膜；文中所謂的“納機(jī)電系統(tǒng)(nano- electromechanical system, NEMS”、“納米板(nanoplate resonators, NPR)”，實(shí)際上是一種稱為輪廓模式的BAW諧振器. 2018年，Lin等[7]在Nan等基礎(chǔ)上，利用NPR通過(guò)平面結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)BAW諧振頻點(diǎn)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一種單片多頻點(diǎn)的“聲激勵(lì)NEMS ME天線”. 2019年，美國(guó)弗吉尼亞理工(Virginia Polytechnic Institute and State University,VT)的Xu等[8]，制備了三個(gè)不同條件的“磁致伸縮層-壓電層-磁致伸縮層”異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并利用實(shí)驗(yàn)揭示了該結(jié)構(gòu)在機(jī)電諧振(electromagnetic resonance,EMR)頻率下的應(yīng)變傳遞機(jī)制和電磁輻射原理；Schneider等[29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了多鐵天線的工作機(jī)理；Chavez和Schneider等[30]利用Co40Fe40B20納米板，從理論上證明了電壓誘導(dǎo)應(yīng)變和偶極子耦合(兩個(gè)納米板之間的互耦合)對(duì)鐵磁諧振(ferromagnetic resonance, FMR)譜的影響；美國(guó)Draper公司的Bickford等[4]進(jìn)一步明確了機(jī)械天線的特點(diǎn)——機(jī)械移動(dòng)靜電場(chǎng)源/靜磁場(chǎng)源以調(diào)節(jié)外部電磁場(chǎng)，并將其分為線運(yùn)動(dòng)機(jī)械天線(極化電荷的線性運(yùn)動(dòng))、旋轉(zhuǎn)機(jī)械天線(極化電荷的圓運(yùn)動(dòng))、體模式機(jī)械天線(極化電荷的不對(duì)稱分子運(yùn)動(dòng)) 3類(lèi)；美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Kemp等[5]利用鈮酸鋰壓電棒研制出口袋大小的壓電激發(fā)式的體模式機(jī)械天線，工作原理如圖4所示，通過(guò)發(fā)射VLF無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)了超視距的遠(yuǎn)距離傳播，在短波通信中極具應(yīng)用價(jià)值.

圖2 一種BAW介導(dǎo)的多鐵天線結(jié)構(gòu)示意圖[28]Fig. 2 Structure diagram of BAW-mediated multiferroic antennas[28]

圖3 聲驅(qū)動(dòng)納機(jī)電ME天線的兩個(gè)實(shí)例[6]：基于NPR(左)；基于薄膜體聲波諧振器(thin-film bulk acoustic wave resonators,FBAR) (右)Fig. 3 Two implementation cases of the coustically actuated nanomechanical ME antennas[6]: NPR-based (left),and FBAR-based (right)

圖4 一種體模式機(jī)械天線的工作原理示意圖[4-5]Fig. 4 Schematic diagram of a body mode mechanical antenna[4-5]

3 BAW ME天線的技術(shù)框架

3.1 工作機(jī)理

BAW ME天線的工作機(jī)理迥異于“電源型”：利用復(fù)合ME薄膜在BAW諧振器諧振頻率處的正/逆ME耦合效應(yīng)，發(fā)射/接收電磁波. 只需在BAW諧振器的壓電層施加交變電壓，即可獲得數(shù)百M(fèi)Hz～20 GHz的電磁輻射. ME耦合機(jī)理示意圖如圖5所示.

圖5 正ME耦合效應(yīng)[31]Fig. 5 Positive ME coupling effect[31]

其作用機(jī)理可表達(dá)為：

將電諧振引發(fā)的電磁輻射由聲諧振取代，突破了傳統(tǒng)“電源型”天線的原理性桎梏，具有以下優(yōu)勢(shì)：①器件尺寸小. 由于相同頻率下的聲波波長(zhǎng)比電磁波波長(zhǎng)小約5個(gè)數(shù)量級(jí)，預(yù)計(jì)BAW ME天線的尺寸與聲波波長(zhǎng)相當(dāng)，因此有可能比現(xiàn)有最小尺寸的“電源型”天線縮小不止一個(gè)數(shù)量級(jí)[6]. ②輻射效率高. 在“電源型”天線中，電流傳導(dǎo)引起的歐姆損耗是天線輻射效率較低的主要原因. 而B(niǎo)AW ME天線工作過(guò)程中，原理上沒(méi)有電流傳導(dǎo)，由此可以徹底破解歐姆損耗的難題. ③阻抗匹配好. 從原理上消除了天線的平臺(tái)效應(yīng)，利于阻抗匹配. ④實(shí)用化前景光明. 作為一種新型芯片式電小天線，器件結(jié)構(gòu)適合MEMS工藝加工，且具有CMOS IC工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，有利于低成本量產(chǎn)、大陣列/復(fù)雜單元靈活組陣、與RF前端其他元器件單片集成等.

3.2 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

具有顛覆性的“電-機(jī)(力、磁)-電磁”換能工作原理、芯片式結(jié)構(gòu)的機(jī)械天線，其相應(yīng)的知識(shí)體系的概貌和路徑目前遠(yuǎn)未明晰. 由此，以廣義Maxwell方程組(對(duì)應(yīng)天線)、Newton定律(對(duì)應(yīng)機(jī)械)為理論起點(diǎn)，需建立BAW ME天線的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，探明其輻射機(jī)理；全面解決上溯到發(fā)射元芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題；最終初步建成普適于ME類(lèi)機(jī)械天線理論的全新知識(shí)體系. 為此需要解決3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：微/納米尺度下復(fù)合ME薄膜的動(dòng)力學(xué)模型；ME機(jī)械天線的輻射場(chǎng)理論模型與數(shù)值計(jì)算方法；復(fù)合ME薄膜力-磁特性的表征與工藝調(diào)控機(jī)制.

1)“2-2型”復(fù)合ME薄膜材料優(yōu)異的機(jī)電耦合效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)BAW ME發(fā)射元中磁性精確控制的基礎(chǔ). 因此，研究ME薄膜內(nèi)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律是理解ME器件作用機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提. 為此，需要建立并求解微/納米尺度下復(fù)合ME薄膜的動(dòng)力學(xué)模型. 現(xiàn)有研究中[28]，利用靜電近似的Maxwell方程組對(duì)材料應(yīng)變本構(gòu)方程作線性化處理，造成了方程的過(guò)度簡(jiǎn)化，這對(duì)理解、預(yù)測(cè)微/納尺度下復(fù)合ME薄膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是不合適的，將嚴(yán)重影響芯片設(shè)計(jì)，特別是復(fù)合ME薄膜設(shè)計(jì).

2)求解天線輻射場(chǎng)的基礎(chǔ)是利用Green函數(shù)求解矢量磁位與標(biāo)量電位. 然而，對(duì)于ME機(jī)械天線，如何將力學(xué)變量(應(yīng)力、應(yīng)變、速度等)精確地引入到廣義Maxwell方程組中是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗P(guān)系到BAW ME天線輻射場(chǎng)的完整性(除了電磁場(chǎng)還需要考慮應(yīng)力場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng))和準(zhǔn)確性. 模型的準(zhǔn)確性將直接決定天線損耗模型建立與天線輻射性能評(píng)價(jià)；而當(dāng)前采用時(shí)域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD) 法構(gòu)建數(shù)值模型的研究中，存在計(jì)算效率與穩(wěn)定性問(wèn)題：①計(jì)算效率，相同頻率下聲波與電磁波波長(zhǎng)相差約5個(gè)數(shù)量級(jí)，以波長(zhǎng)小的聲波為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)電磁波卻過(guò)密，易造成計(jì)算過(guò)度存儲(chǔ)，嚴(yán)重影響計(jì)算效率；②數(shù)值穩(wěn)定性，對(duì)于波長(zhǎng)相差巨大的FDTD求解，需避免計(jì)算結(jié)果不收斂而導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤問(wèn)題.

3)作為一種機(jī)械天線，復(fù)合ME薄膜的性能是BAW ME天線性能的決定性因素之一. BAW ME發(fā)射元芯片的設(shè)計(jì)(性能預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等)與性能評(píng)估，離不開(kāi)精確的薄膜性能表征，尤其是力-磁性能參數(shù)的表征；為了制備出最適配BAW ME天線工作原理的復(fù)合ME薄膜，需要掌握其力-磁特性的工藝調(diào)控機(jī)制. 然而，迄今為止，針對(duì)BAW ME天線應(yīng)用的相關(guān)研究報(bào)道很少. 此外，磁致伸縮薄膜工作在高頻段時(shí)，面臨各種損耗并存在退磁效應(yīng)，進(jìn)一步增加了力-磁性能表征和軟磁特性調(diào)控的難度.

3.3 技術(shù)方案框架

針對(duì)BAW ME天線的上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，我們給出了如圖6所示的技術(shù)方案框架.

通過(guò)深入研究BAW ME天線中“電-機(jī)-電磁”的多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，建立其發(fā)射元的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、輻射場(chǎng)模型、輻射損耗模型、組陣方法和性能評(píng)價(jià)體系；建立所需的有限元分析(finite element analysis, FEA)/FDTD數(shù)值仿真方法，驗(yàn)證各解析模型；通過(guò)單/陣列發(fā)射元芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)射元的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與輻射機(jī)理；突破復(fù)合ME薄膜研發(fā)及其力磁特性調(diào)控等工藝難點(diǎn)，瞄準(zhǔn)5G應(yīng)用完成多輪芯片制備，并推動(dòng)理論體系的迭代.

圖6 BAW ME天線的技術(shù)框架Fig. 6 A framework of the technical solution for the BAW ME antenna

3.3.1 微/納米尺度下復(fù)合ME薄膜的動(dòng)力學(xué)模型

首先，從宏觀角度明確復(fù)合ME薄膜參數(shù)對(duì)耦合性能的作用關(guān)系；其次，在微觀角度利用與彈性動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、Maxwell方程組有關(guān)的ME應(yīng)變本構(gòu)方程，有效連接力學(xué)方程、磁學(xué)方程、電磁學(xué)方程以及工作過(guò)程中附帶的損耗方程，來(lái)研究頻域中的電磁行為；最后，利用FEA方法構(gòu)建ME異質(zhì)結(jié)的多物理場(chǎng)行為模型，將復(fù)合ME薄膜劃分為壓電相、壓磁相和空氣子域三個(gè)部分進(jìn)行3D頻域分析，模擬其電磁行為，以驗(yàn)證微/納米尺度下復(fù)合ME薄膜的動(dòng)力學(xué)模型即圖6中簡(jiǎn)寫(xiě)為ME動(dòng)力學(xué)模型的正確性.

本團(tuán)隊(duì)針對(duì)ME動(dòng)力學(xué)模型，首次求解出了2～6層交替堆疊的AIN/FeGaB復(fù)合ME薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的能量和輻射功率的解析表達(dá)式，并得到了其作為發(fā)射元的歸一化輻射品質(zhì)因數(shù). 討論了堆疊層數(shù)對(duì)發(fā)射元輻射性能的影響，計(jì)算結(jié)果表明3層AIN/FeGaB復(fù)合ME薄膜結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)輻射性能[32]，該模型是ME動(dòng)力學(xué)模型建模的基礎(chǔ). 為了驗(yàn)證所提出的解析模型和計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步利用FEA仿真軟件構(gòu)建了多層AIN/FeGaB復(fù)合ME薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力模型，仿真結(jié)果表明3層結(jié)構(gòu)中磁致伸縮薄膜具有最大的應(yīng)力場(chǎng)分布，從而揭示了其具有最佳輻射性能的物理本質(zhì).

3.3.2 ME機(jī)械天線的輻射場(chǎng)理論模型與數(shù)值計(jì)算方法

首先從BAW ME天線的物理本質(zhì)出發(fā)，通過(guò)構(gòu)建ME動(dòng)力學(xué)模型求解內(nèi)部電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H，以Poynting矢量S為橋梁研究電學(xué)性能參數(shù)，從而明確天線的頻帶寬度. 此外，BAW ME天線工作在高頻下不可避免地產(chǎn)生電損耗、機(jī)械損耗、磁損耗，從而嚴(yán)重影響天線的輻射性能. 因此，需要建立相應(yīng)的損耗模型來(lái)研究BAW ME天線的損耗機(jī)理. 該模型和方法不僅適用于Sub-6G頻段，也適用于VLF、ULF頻段.

本團(tuán)隊(duì)針對(duì)輻射場(chǎng)損耗模型，建立了壓磁相中渦流損耗的FEA模型，分析了三種不同渦流抑制結(jié)構(gòu)對(duì)渦流損耗的抑制效果，并提出一種在FeGaB薄膜中采用橫豎交叉插入Al2O3絕緣介質(zhì)層的渦流抑制方法，仿真結(jié)果表明該方法可將渦流損耗減小65%以上[33].

3.3.3 復(fù)合ME薄膜力-磁特性的表征與工藝調(diào)控機(jī)制

采用磁控濺射法制備磁致伸縮薄膜，通過(guò)表征薄膜的基本物理參數(shù)與力 -磁學(xué)性能，在BAW ME天線模型指導(dǎo)下調(diào)整薄膜的制備工藝參數(shù)，形成優(yōu)化后的ME薄膜以及力 -磁參數(shù)體系. 利用MEMS工藝集成方法“BAWR+磁致伸縮薄膜”實(shí)現(xiàn)發(fā)射元芯片和組陣芯片的制備.

整個(gè)研究方案以“BAW ME發(fā)射元芯片設(shè)計(jì)”為多學(xué)科交叉匯聚點(diǎn)，初步建立BAW ME類(lèi)機(jī)械天線的融通知識(shí)體系，進(jìn)而顯著拓寬現(xiàn)有天線的基礎(chǔ)理論. 通過(guò)BAW ME發(fā)射元芯片的制備與測(cè)試評(píng)價(jià)，既驗(yàn)證了理論模型與輻射機(jī)理的正確性，也為該技術(shù)的應(yīng)用探明了解決方案.

4 結(jié) 論

“磁源型”天線或機(jī)械天線，為突破現(xiàn)有“電源型”天線存在的尺寸微縮難、阻抗匹配難、輻射效率低等原理性桎梏提供了一個(gè)全新的方向和可能.

本文在深入認(rèn)識(shí)機(jī)械天線物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了理論溯源、分類(lèi)梳理；并以BAW ME天線為典型案例，綜述了BAW ME天線技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而給出了解決這些問(wèn)題的技術(shù)方案框架. 我們認(rèn)為，基于BAW介導(dǎo)磁電耦合效應(yīng)工作原理的BAW ME天線是當(dāng)前RF頻段最有前途的機(jī)械天線解決方案，有可能在Sub-6G頻段(1～6 GHz)收/發(fā)天線等領(lǐng)域率先得到應(yīng)用.