客户成果丨清华大学《Advanced Functional Materials》：利用大带宽磁电天线中的共振耦合来提高辐射效率

清华大学材料学院潘峰-宋成团队在磁电天线领域取得最新进展，该研究成果以“Enhanced Radiation Efficiency by Resonant Coupling in a Large Bandwidth Magnetoelectric Antenna”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

近年来，随着大屏幕智能手机的快速发展，留给手机天线的“净空间”进一步缩小，给未来天线尺寸的缩小和高密度集成提出了新的挑战。传统的电学天线为了保证良好的辐射性能，尺寸要大于电磁波波长的十分之一，尽管许多缩小电学天线的尺寸的方法已经被提出，包括使用超材料，开槽，集总元件加载等手段，但减小尺寸且不牺牲天线的辐射性能似乎是一个矛盾的问题。为了应对天线小型化的挑战，基于磁声耦合的磁电天线理论被提出。磁电天线基于声波驱动，通过正逆压电效应及磁致伸缩效应辐射电磁波，尺寸比同等工作频率的电学天线小一到两个数量级，为天线的小型化提供了新的解决思路。鉴于目前磁电天线的研究目前仍停留在低频段，缺乏高频段的研究，清华大学材料学院潘峰-宋成团队基于牢固安装谐振器结构实现了工作频率为4.97 GHz，体声波驱动的磁电天线，并发表在天线知名期刊（IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 23, NO. 5, MAY 2024），表现了磁电天线在5G通信的应用潜力。

但磁电天线目前由于其低辐射效率和窄带宽仍不能够取代传统的电天线进行广泛的应用。最近，他们通过利用LiNbO3 (LN)固有的大的机电耦合系数及压电常数，并通过调整晶体切向在20°YX-LN 谐振器结构中中激发了水平剪切波，并实现了达80 MHz的大带宽磁电天线。在之前的磁电天线研究中，只是利用磁致伸缩层中磁矩的一致排列和小幅度的摆动产生的交变磁化，进而辐射电磁波，这就导致磁致伸缩层和压电层的磁电耦合作用较弱，所以辐射效率较低。而通过外加磁场，当声波的谐振频率和磁致伸缩层中铁磁矩的铁磁共振频率相当时，可以利用声波驱动磁性层的铁磁共振，使磁矩发生进动，产生更大的磁电耦合，进而提升磁电天线的辐射效率，如图1(a)所示。器件的基本结构和光镜图如图1(b)所示，磁致伸缩层为Ni，SiO2作为导波层和绝缘层。首先，利用网络分析仪和示波器对于磁电天线本身的辐射和接收性能进行了表征，如图2所示，谐振频率为1.87 GHz，带宽80 MHz，增益为－28.9 dBi。

图1 共振及非共振耦合的基本原理及器件结构图 (a) 共振耦合及非共振耦合原理图，非共振耦合发生磁矩的摆动和排列，共振耦合磁矩进动，发生电磁波辐射增强 (b) 器件结构示意图及光镜图

图2 磁电天线的本征辐射性能 (a) 磁电天线模拟及实测导纳图 (b) 磁电天线MBVD等效电路模拟 (c) 磁电天线的不同轴向的辐射性能 (d) 磁电天线不同轴向接收电压

下面讨论共振耦合对磁电天线辐射效率的增强。由于水平剪切波产生的应变驱动场与外加磁场和水平剪切波波矢k的相对方向相关，如图3(d)所示，因此通过改变外加磁场与k的相对角度，利用喇叭天线辐射电磁波，对磁电天线的接收电压进行了测量，不同角度下磁电天线在不同磁场处的接收电压如图3(a)所示，根据磁滞回线图3(b)可以看出在难轴接收电压增强最大，即辐射效率提高最多，与非共振相比，辐射效率提升达76%。通过有限元模拟图3(c)和(e)所示，水平剪切波存在的主要应变为εxy和εyz且两者存在90°的相位差，这就导致了应变产生的驱动场在磁性层难轴方向和易轴方向的不同，在难轴方向的应变驱动场更大，且具有右手性，满足磁矩进动本征的右手性特征，而在易轴应变驱动场较小且不具有手性，故产生的共振耦合提升效率较低。

图3 共振耦合对辐射效率的提升 (a) 共振耦合对辐射效率的提升的角度依赖性 (b) 磁滞回线 (c) 有限元模拟应变在磁性层中的分布 (d) 有效应变驱动场的角度依赖性 (e) εxy和εyz的相位差 (f) 难轴易轴产生辐射效率提升不同的原理示意图

在天线的辐射性能研究中，辐射方向图具有重要的指导意义，进一步我们研究了共振耦合对于磁电天线辐射方向图的影响。通过改变喇叭天线和磁电天线的相对位置，分别测得了磁电天线在xOy平面，xOz平面以及yOz平面的辐射方向图，如图4所示，通过磁电天线的辐射图可以看出其满足贴片天线的辐射方向图，这与原本的磁电天线本质上是一个偶极子天线的理论不符，原因在于我们测试是在PCB板上面进行的焊线测试，由于PCB板的地平面反射导致干涉叠加，故产生了如贴片天线的辐射方向图。且在xOy的辐射方向图中，也同样可以看出在不同磁场下的电压值，和图3测得的数据吻合。

图4 磁电天线的辐射方向图。(a) 辐射方向图探测示意图 (b) xOy平面不同磁场下的辐射方向图 (c) xOz平面的辐射方向图 (d) yOz平面的辐射方向图

本工作提供了一种提升磁电天线辐射效率的新方法，为可设计高辐射效率的磁电天线提供了机会并对磁电天线的未来应用提供了一种可行手段。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的无掩膜光刻机完成了磁电天线器件的制备工作。该研究受到国家重点研发计划、国家基金委杰出青年科学基金和专项项目，以及北京市杰出青年科学基金资助。

作者信息：清华大学宋成教授为论文的通讯作者，主要作者为潘峰教授、课题组的博士生马铭远，陈崇，以及博士毕业生徐惠平。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408699