一种多周期体声波磁电天线

1.本发明属于射频频段微型天线领域，具体涉及芯片化射频机械天线，可以解决谐振型体声波磁电天线的磁-声-电耦合系数低，辐射效率较低的问题。


背景技术：

2.天线是无线电收发系统中必不可少的组件，其功能是辐射和接收无线电磁波。近年来，随着通信设备小型化的快速发展，大多数电子元件都已实现微小型化，而传统天线受制于现有技术工作原理，虽有一定的小型化手段，但难以取得突破性的进展。目前小型化天线的尺寸大于电磁波波长的1/10，并且阻抗匹配困难、辐射效率也较低。其根源在于传统天线是基于传导电流的工作原理：一方面距离导电平面较近时会遭受平台效应，辐射q值升高，天线难以阻抗匹配；另一方面电流传导引起的欧姆损耗，造成辐射效率降低。
3.在新兴的机械天线中，辐射时变场是通过物理移动、旋转或振荡电荷或磁偶极矩产生的，不仅克服了欧姆损耗，而且品质因数非常高，从而可以有效的耦合到变化的偶极矩。其中，基于磁电耦合效应发展起来的声激发磁电天线是目前唯一可以覆盖vlf到vhf的机械天线，在高频芯片化、低频机动化天线方面有巨大的应用前景。
4.2015年，加州大学洛杉矶分校首次在理论上提出了基于薄膜体声波谐振器(fbar)的磁电天线。基于上述理论，2017年，美国东北大学报道了基于fbar的超小型天线，利用磁-声-电耦合来发射和接收电磁波并通过高品质因数的声谐振使该过程增强。其中，磁电复合薄膜包含磁致伸缩层和压电层两个部分。在接收过程中，磁致伸缩层感应空间中的电磁波，产生应变传递到压电层，通过压电效应感应出电压。在发射过程中，向压电层施加电压，通过逆压电效应产生应变传递到磁致伸缩层中，通过压磁效应激发磁化振荡并辐射电磁波。这类天线的优点在于：由于声波波速比电磁波约小5个数量级，磁电天线的尺寸可以降低到传统微型天线的1/10甚至1/100；辐射过程不涉及电流传导，解决了辐射效率过低问题；阻抗可以通过改变磁性层和压电层尺寸参数调节，无需外置匹配网络。然而，fbar谐振器的压电层的主要振动模态是沿面外的纵波，作用在磁致伸缩层中的应力等效场主要沿面外方向，而磁致伸缩层由于退磁场影响，磁矩处于面内，因此fbar谐振器激发的磁化振荡很弱，限制了天线辐射效率。另外，fbar结构中磁性层和压电层难做得很厚，限制了其工作频率拓展到1ghz以下频段(p波段)。
5.横向体声波谐振器(contour-mode)也可以用来实现磁电天线功能。这种谐振器工作在面内轮廓振动模式下，压电层将面内应变传递到磁致伸缩层，产生的面内等效应力场能激发强磁化振荡。然而，单周期电极结构无法在p波段兼顾谐振频率、阻抗和品质因数；而多周期下相邻半周期磁化振荡相位不同，造成磁通量相互抵消。因此，简单增加电极对数和周期会一方面造成磁电耦合效应与逆磁电耦合效应互易性的破缺，影响天线的收发互易性，另一方面使得磁电天线的整体辐射效率降低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对背景技术提到的现有单周期体声波谐振器存在的问题，提出了一种多周期体声波磁电天线。相对于工作于面外模式的fbar磁电天线，本发明多周期体声波磁电天线工作在面内体波振动模式，具有更强磁电耦合系数，可以有效提高辐射功率；相对于单周期横向体声波磁电天线，本发明多周期体声波磁电天线不仅可以兼顾工作频率、谐振强度，而且能有效调节天线的阻抗，无需外部的阻抗匹配电路。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种多周期体声波磁电天线，包括：
9.带空气腔110的支撑衬底100；
10.压电薄膜120，所述压电薄膜120位于空气腔之上；
11.磁性叉指电极，所述磁性叉指电极位于压电薄膜之上，为正磁致伸缩薄膜131和负磁致伸缩薄膜132形成的叉指结构。
12.进一步的，所述支撑衬底100为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底等，厚度为0.5mm～2mm。
13.进一步的，所述压电薄膜120为氮化铝、钪掺氮化铝、氧化锌、铌酸锂等，厚度为200nm～5μm。
14.进一步的，所述磁性叉指电极中，单个叉指的尺寸根据所应用的频率和阻抗确定；磁性叉指电极排列的周期为半个声波长。
15.进一步的，所述正磁致伸缩薄膜131为铁硅硼(fesib)、铁钴硅硼(fecosib)、铁硅硼碳(fesibc)、铁镓硼(fegab)等，所述负磁致伸缩薄膜132为镍(ni)或钴。
16.进一步的，所述磁性叉指电极的厚度为50～300nm。
17.进一步的，所述磁性叉指电极中，正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜的尺寸完全相同。
18.进一步的，所述磁性叉指电极中，正磁致伸缩薄膜作为输入输出电极，负磁致伸缩薄膜作为接地电极。
19.本发明提供的一种多周期体声波磁电天线，其工作原理为：
20.发射过程中，磁性叉指电极的输入输出电极端输入正弦信号，接地电极端接地，使得压电薄膜表面产生周期变化电势，特定频率下通过逆压电效应在压电薄膜中产生共振弹性驻波，带动表层磁性叉指电极共同振动，引发磁性叉指电极中磁化振荡，产生动态变化磁通量。这种动态变化磁通量作为辐射源向空间辐射电磁波。接收过程中，外界电磁波激发磁性叉指电极内磁化振荡，产生应变传递到压电薄膜中，由于压电效应产生电压输出。
21.本发明提供的一种多周期体声波磁电天线中，磁性叉指电极中的正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜以半波长周期排列，使正磁致伸缩薄膜电极匹配到驻波波峰(或波谷)区域，负磁致伸缩薄膜电极匹配到波谷(或波峰)区域。正、负磁致伸缩薄膜在拉伸、压缩(或压缩、拉伸)应变作用下，在不同半周期内产生同相磁化振荡。同理，正、负磁致伸缩薄膜在外磁场激励下产生拉伸、压缩应变，通过界面接触将应变传到压电薄膜，进而匹配到磁性叉指电极上，输出同相电压。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.1、本发明提供的一种多周期体声波磁电天线，采用机械波共振将应变传递到各层
中，利用磁-声-电耦合，实现电磁特性和声学特性的相互转化；该磁电天线的工作频率不同于传统天线取决于电磁波波长，而是由声波长决定。
24.2、本发明提供的一种多周期体声波磁电天线，选择的声学模态为“横向体波(lfe contour-mode模态)”，属于面内声模态。压电薄膜与磁性叉指电极在面内相互耦合，该耦合模式相对面外耦合模态具有更大的磁电耦合系数，因此具有更高的天线增益和收发功率。
25.3、本发明提供的一种多周期体声波磁电天线，采用交替排列的正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜形成叉指结构的磁性叉指电极，有效解决了磁化在相邻波长相位抵消的问题，提高了磁电天线的辐射效率，同时通过改变电极尺寸可以兼顾工作频率、阻抗和品质因数。
26.4、本发明磁电天线可以工作在几十mhz到几ghz，尺寸可以缩小到毫米甚至亚毫米量级，且与cmos工艺兼容，在缩小单个天线尺寸的同时，有望实现集成化阵列天线。
附图说明
27.图1为本发明提供的一种多周期体声波磁电天线的结构示意图；
28.图2为电激励下单周期内磁电天线的微区形变仿真结果；
29.图3为电激励下单周期内磁电天线的磁膜磁通量随工作频率变化；
30.图4为磁场激励下单周期内磁电天线的微区形变仿真结果；
31.图5为磁场激励下单周期内磁电天线感应电压随工作频率的变化。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
33.实施例
34.如图1所示，为本发明实施例提供的一种多周期体声波磁电天线的结构示意图；包括带空气腔110的支撑衬底100，空气腔由干法刻蚀工艺制备；位于空气腔之上的压电薄膜120；位于压电薄膜之上的磁性叉指电极。其中，所述磁性叉指电极中的一个梳状电极采用正磁致伸缩材料，作为输入输出电极；另一个梳状电极采用负磁致伸缩材料，作为接地电极。所述支撑衬底为高阻硅，厚度500微米。所述压电薄膜为氮化铝，厚度为1μm。磁性叉指电极中，单个叉指长1毫米、宽4微米，正磁致伸缩薄膜为fecosib，负磁致伸缩薄膜为ni，排列周期为半个声波长7.5微米，厚度150nm。
35.图1所示的实施例中被激发的谐振模式属于横向纵波模态，由电压激发的横向纵波在压电薄膜内部形成驻波，带动磁性叉指电极共振，诱发磁化振荡。磁性叉指电极中的正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜以半波长周期排列，使正磁致伸缩薄膜匹配到驻波波峰(或波谷)区域，负磁致伸缩薄膜匹配到波谷(或波峰)区域。正、负磁致伸缩薄膜在拉伸、压缩(或压缩、拉伸)应变作用下，在不同半周期内产生同相磁化振荡。同理，正、负磁致伸缩薄膜在外磁场激励下产生拉伸、压缩剪切应变，通过压电薄膜匹配到磁性叉指电极上，输出同相电压。磁性叉指电极采用光刻和磁控溅射工艺实现。磁致伸缩薄膜在溅射过程中可以在面内施加dc磁场诱导单轴各向异性，获得高压磁系数。
36.利用comsol multiphysics有限元仿真将压电薄膜以压电本构方程建模，将磁性叉指电极以压磁本构方程建模，可用于模拟电、声、磁之间的动态双向耦合，结果如图2所
示。图2为电激励下单周期内实施例磁电天线的微区形变仿真结果；电场激发声横向体波共振，而正、负磁致伸缩材料的特定空间排布使其分别处于声波的相邻半周期。电磁波辐射来源于磁性叉指电极内磁通量变化，图3给出了电激励下单周期内磁电天线的磁膜磁通量随工作频率变化；正、负磁致伸缩材料在相反应变和相反磁弹性系数作用下，感应磁通量整体叠加增强。作为对比，使用单种磁致伸缩材料(如fecosib)，相邻声半周期磁性材料内部磁矩相位相反，相互抵消，产生的感应磁通量变弱。同时可以观察到声谐振频率时，磁性叉指电极内磁通量变化最大，这是声谐振对磁电耦合强化的结果。图4为磁场激励下单周期内磁电天线的微区形变仿真结果；磁场作用下，天线表面的磁性叉指电极产生纵应变s
11
，正负磁致伸缩材料产生的应变符号相反，构成一个声波周期，传递到压电薄膜中，感应出电势。图5为磁场激励下单周期内磁电天线感应电压随工作频率的变化；rf磁场作用下采用同种磁性材料配置的器件无法产生谐振，因此感应电势要远小于实施例采用正负磁致伸缩材料配置的器件。同样，rf磁场处于谐振频率时器件中感应出的电势最大。
37.需要说明的是，实施例磁电天线工作频率为360mhz，该频率下电磁波长为0.83m。实施例天线的尺寸为3
×2×
0.5mm，远小于传统电谐振天线尺寸。
38.应该注意的是，实际器件不仅限于实例中的宽度、厚度和长宽比。因为这些参数可以针对特定的应用、期望的工作频率进行调整。
39.多周期结构的一个特点是谐振频率与周期数无关。在使用正、负磁致伸缩材料周期排列的结构后，谐振器可以拓展到更多周期，这一方面便于调整器件阻抗达到合理值，另一方面更大的磁性叉指电极面积意味着更强的天线收发功率。