体声波介导磁电天线的研究进展与技术框架

任万春 陈锶 高杨 李君儒 彭春瑞

（1. 西南科技大学信息工程学院，绵阳 621010；2. 重庆大学光电工程学院，重庆 400044；3. 电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054）

引 言

天线是无线通信设备射频(radio frequency, RF)前端的基础元件，通过将传输线上的导行波与自由空间传播的电磁波相互转换，实现无线电波的辐射与接收，广泛应用于智能手机、便携式设备、RF识别系统、雷达等通信设备. 5G通信等新技术的飞速发展，对天线性能的要求日益提高. 天线朝着小型化、定制化、智能化等方向持续发展，面临以下原理性难题：尺寸微缩难(大于λ0/10)、阻抗匹配难(镜像电流反射)、辐射效率低(电流欧姆损耗)等[1].

近年来，在美国国防前瞻研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)“机械天线”(A MEchanically Based Antenna, AMEBA)项目[2-3]等的推动下，对机械天线的探索日益深入[4-5]. 研发机械天线的初衷是为了针对甚低频(very low frequency, VLF)频段(3～30 kHz)透地/水下报文通信、特低频(ultra low frequency, ULF)频段(0.3～3 kHz)单兵远程通信发射天线的战略需求，实现机械天线机理“从0到1”的颠覆性创新. 本文的分析表明，机械天线具有更深远的意义——将为常规天线的原理性桎梏提供一个可根治的全新方向和可能.

本文基于器件物理本质首次准确定义的“体声波(bulk acoustic wave, BAW)介导的磁电(magnetoelectric, ME)耦合天线(简称BAW ME天线)”概念，就是一种新型的“磁源型”天线或机械天线. 现有研究已证明BAW ME天线在技术上的可行性[6-8]，但知识体系还远未确立，基本概念极为含混. 为此，本文在深入认识机械天线物理本质的基础上，对其进行了理论溯源、分类梳理；并以BAW ME天线为典型案例，综述了BAW ME天线技术的研究进展，分析了关键科学问题，进一步给出了解决这些问题的技术方案框架.

1 对机械天线的再认识

回归天线的物理本质——广义Maxwell方程组所规定的电流/电荷源(即电偶极子)、磁流/磁荷源(即磁偶极子)这两种基本驱动场源，相应地，可以将天线划分为两种基本类型：电(流/荷)源型和磁(流/荷)源型. “电源型”的工作原理：依靠天线中的电(流/荷)振荡，激发出电磁辐射(电-电磁换能). 而“磁源型”天线的工作机理与“电源型”迥异：依靠天线中的磁(流/荷)振荡，激发出电磁辐射. 由于磁(流/荷)振荡，可通过电荷/恒定电场/永磁体的机械运动得到[9]，因此也称为“机械天线”.

如图1所示，将现有机械天线方案划分为两类：机械运动式与声波激励式. 机械运动式天线包括线运动机械天线和旋转机械天线，利用经典的机械方法使驻极体/永磁体做线/面运动，产生电磁辐射. 然而，该方案对磁流/磁荷的机械运动要求很高，显得“过于机械”了：不仅对材料、环境和控制等要求苛刻，而且难以实现大阵列(实用化所需)中诸多单元的高精度机械同步[10].

图1 机械天线的进一步认识：物理本质、理论溯源与分类Fig. 1 Further understanding of the mechanical antenna:physical essence, theoretical origin, and its classification

声波激励式天线不需要外部机械驱动，可利用ME材料中压电、压磁两相耦合的强ME耦合效应等方式，实现“电-机(力、磁)-电磁”换能. 声波激励已有两种成熟技术：表面波(surface acoustic wave,SAW)和BAW. 尽管SAW和磁致伸缩材料之间可产生一定的相互作用，但仅在准静态或kHz频段才有强ME耦合效应[11]. 因此，SAW的声波激励无法满足RF频段的需求. BAW的声波激励是当前RF频段机械天线最有前途的解决方案[12]：天线的辐射频率取决于其基本构件之一的BAW谐振器(也是BAW滤波器的基本构件)，BAW谐振器目前已经可以实现数百MHz～20 GHz的RF频谱覆盖，且在这些频点下仍然能够获得强ME耦合效应. 这种以BAW声波激励的应变作为ME耦合效应的介导，进而产生磁流/磁荷振荡的机械天线，简称为“BAW ME天线”.

2 BAW ME天线的研究进展

BAW ME天线属于微纳尺度的体模式机械天线，利用一种全新的作用机理——“ME耦合效应”产生并辐射电磁波，这是实现机械天线“电-机(力、磁)-电磁”换能工作原理的基本环节. 其中最核心的发射元，主要由BAW谐振器与磁致伸缩薄膜构成.

BAW谐振器. 作为BAW ME天线的电激励元件，实现“电-机(力、磁)-电磁”换能中的“电-机”一环.1965年Mortley[13]首次提出BAW器件的概念，而第一代BAW器件的工作频率小于200 MHz[14]. 通过微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)工艺的改善与压电薄膜的更新换代，1999年可量产1.9 GHz的BAW双工器[15-16]. 2008年制备出工作频率高达K波段的BAW器件，但因压电膜太薄引发的可靠性问题无法纳入应用[17]. 2018年研制了工作频率5.25 GHz的商用水平器件，适合5G 通信在Sub-6G (1～6 GHz)频段的应用[18-19].

复合ME薄膜及ME耦合效应. 复合ME薄膜，实现BAW ME天线“电-机(力、磁)-电磁”换能工作原理中的“机-电磁”一环. 其ME耦合效应的研究可追溯到1894年Curie[20]提出的本征ME耦合效应概念. 1961年，Rado等[21]在Cr2O3单晶中首次观察到了ME耦合效应，然而，单相ME材料无法在室温呈现稳定的ME耦合效应，制约了ME材料的应用.1972年，Suchtelen[22]首次提出ME复合材料的概念，该材料可以通过应力/应变传递实现铁电相和铁磁相之间的耦合，但没有纳入应用. 直到21世纪初，随着“2-2型”ME复合薄膜/多铁薄膜(即将铁电、铁磁两相薄膜材料交替沉积在基片上，得到的一种叠层结构)的出现，ME耦合效应的研究始呈井喷之势[23]. 2017年8月，美国DARPA微系统技术办公室(Microsystems Technology Office, MTO)启动了AMEBA项目[2-3]，针对军用透地与水下电磁波通信的盲点和痛点，以实现“通过机械移动受陷电荷(驻极体)/磁体以产生电磁场的ULF与VLF发射天线样机研制”. AMEBA项目第1阶段资助的6家单位中，加利福尼亚大学洛杉矶分校(University of California,Los Angeles, UCLA)所采用的就是ME方案. 此外，ME薄膜在传感、存储等领域的研究也方兴未艾[24-25].

BAW ME天线. 早在1961年Rowen等利用声驱动铁磁性钇铁石榴石(yttrium iron garnet, YIG)球[26]，便实现了电磁辐射，构成了压磁天线的雏形.1973年，Mindlin[27]将这一想法转化为压电材料，并对振动石英片辐射出的电磁功率进行了分析评估，构成了压电天线的雏形. 此后，直至2015年，UCLA的Yao等[28]才首次提出如图2所示的“BAW介导的多铁天线”概念，将BAW谐振器引入到机械天线结构之中. 2017年，美国东北大学(Northeastern University, NEU)的Nan等[6]报道了一种“声驱动纳机电ME天线”，如图3所示，采用了悬浮的FeGaB(铁磁)/AlN(压电)ME复合薄膜；文中所谓的“纳机电系统(nano- electromechanical system, NEMS”、“纳米板(nanoplate resonators, NPR)”，实际上是一种称为轮廓模式的BAW谐振器. 2018年，Lin等[7]在Nan等基础上，利用NPR通过平面结构尺寸调节BAW谐振频点的特点，实现了一种单片多频点的“声激励NEMS ME天线”. 2019年，美国弗吉尼亚理工(Virginia Polytechnic Institute and State University,VT)的Xu等[8]，制备了三个不同条件的“磁致伸缩层-压电层-磁致伸缩层”异质结构，并利用实验揭示了该结构在机电谐振(electromagnetic resonance,EMR)频率下的应变传递机制和电磁辐射原理；Schneider等[29]通过实验进一步揭示了多铁天线的工作机理；Chavez和Schneider等[30]利用Co40Fe40B20纳米板，从理论上证明了电压诱导应变和偶极子耦合(两个纳米板之间的互耦合)对铁磁谐振(ferromagnetic resonance, FMR)谱的影响；美国Draper公司的Bickford等[4]进一步明确了机械天线的特点——机械移动静电场源/静磁场源以调节外部电磁场，并将其分为线运动机械天线(极化电荷的线性运动)、旋转机械天线(极化电荷的圆运动)、体模式机械天线(极化电荷的不对称分子运动) 3类；美国SLAC国家加速器实验室的Kemp等[5]利用铌酸锂压电棒研制出口袋大小的压电激发式的体模式机械天线，工作原理如图4所示，通过发射VLF无线电波，实现了超视距的远距离传播，在短波通信中极具应用价值.

图2 一种BAW介导的多铁天线结构示意图[28]Fig. 2 Structure diagram of BAW-mediated multiferroic antennas[28]

图3 声驱动纳机电ME天线的两个实例[6]：基于NPR(左)；基于薄膜体声波谐振器(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)

图4 一种体模式机械天线的工作原理示意图[4-5]Fig. 4 Schematic diagram of a body mode mechanical antenna[4-5]

3 BAW ME天线的技术框架

3.1 工作机理

BAW ME天线的工作机理迥异于“电源型”：利用复合ME薄膜在BAW谐振器谐振频率处的正/逆ME耦合效应，发射/接收电磁波. 只需在BAW谐振器的压电层施加交变电压，即可获得数百MHz～20 GHz的电磁辐射. ME耦合机理示意图如图5所示.

图5 正ME耦合效应[31]Fig. 5 Positive ME coupling effect[31]

其作用机理可表达为：

将电谐振引发的电磁辐射由声谐振取代，突破了传统“电源型”天线的原理性桎梏，具有以下优势：①器件尺寸小. 由于相同频率下的声波波长比电磁波波长小约5个数量级，预计BAW ME天线的尺寸与声波波长相当，因此有可能比现有最小尺寸的“电源型”天线缩小不止一个数量级[6]. ②辐射效率高. 在“电源型”天线中，电流传导引起的欧姆损耗是天线辐射效率较低的主要原因. 而BAW ME天线工作过程中，原理上没有电流传导，由此可以彻底破解欧姆损耗的难题. ③阻抗匹配好. 从原理上消除了天线的平台效应，利于阻抗匹配. ④实用化前景光明. 作为一种新型芯片式电小天线，器件结构适合MEMS工艺加工，且具有CMOS IC工艺兼容的优点，有利于低成本量产、大阵列/复杂单元灵活组阵、与RF前端其他元器件单片集成等.

3.2 关键科学问题

具有颠覆性的“电-机(力、磁)-电磁”换能工作原理、芯片式结构的机械天线，其相应的知识体系的概貌和路径目前远未明晰. 由此，以广义Maxwell方程组(对应天线)、Newton定律(对应机械)为理论起点，需建立BAW ME天线的系统动力学模型，探明其辐射机理；全面解决上溯到发射元芯片设计环节的应用基础问题；最终初步建成普适于ME类机械天线理论的全新知识体系. 为此需要解决3个关键科学问题：微/纳米尺度下复合ME薄膜的动力学模型；ME机械天线的辐射场理论模型与数值计算方法；复合ME薄膜力-磁特性的表征与工艺调控机制.

1)“2-2型”复合ME薄膜材料优异的机电耦合效应，是实现BAW ME发射元中磁性精确控制的基础. 因此，研究ME薄膜内应变的动态演化规律是理解ME器件作用机理、优化设计的前提. 为此，需要建立并求解微/纳米尺度下复合ME薄膜的动力学模型. 现有研究中[28]，利用静电近似的Maxwell方程组对材料应变本构方程作线性化处理，造成了方程的过度简化，这对理解、预测微/纳尺度下复合ME薄膜的动态响应是不合适的，将严重影响芯片设计，特别是复合ME薄膜设计.

2)求解天线辐射场的基础是利用Green函数求解矢量磁位与标量电位. 然而，对于ME机械天线，如何将力学变量(应力、应变、速度等)精确地引入到广义Maxwell方程组中是一个不小的挑战，因为它关系到BAW ME天线辐射场的完整性(除了电磁场还需要考虑应力场或应变场)和准确性. 模型的准确性将直接决定天线损耗模型建立与天线辐射性能评价；而当前采用时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD) 法构建数值模型的研究中，存在计算效率与稳定性问题：①计算效率，相同频率下声波与电磁波波长相差约5个数量级，以波长小的声波为基础进行网格划分，对电磁波却过密，易造成计算过度存储，严重影响计算效率；②数值稳定性，对于波长相差巨大的FDTD求解，需避免计算结果不收敛而导致的计算错误问题.

3)作为一种机械天线，复合ME薄膜的性能是BAW ME天线性能的决定性因素之一. BAW ME发射元芯片的设计(性能预测、设计优化等)与性能评估，离不开精确的薄膜性能表征，尤其是力-磁性能参数的表征；为了制备出最适配BAW ME天线工作原理的复合ME薄膜，需要掌握其力-磁特性的工艺调控机制. 然而，迄今为止，针对BAW ME天线应用的相关研究报道很少. 此外，磁致伸缩薄膜工作在高频段时，面临各种损耗并存在退磁效应，进一步增加了力-磁性能表征和软磁特性调控的难度.

3.3 技术方案框架

针对BAW ME天线的上述关键科学问题，我们给出了如图6所示的技术方案框架.

通过深入研究BAW ME天线中“电-机-电磁”的多物理场耦合机制，建立其发射元的系统动力学模型、辐射场模型、辐射损耗模型、组阵方法和性能评价体系；建立所需的有限元分析(finite element analysis, FEA)/FDTD数值仿真方法，验证各解析模型；通过单/阵列发射元芯片的优化设计与制备，实验验证发射元的系统动力学模型与辐射机理；突破复合ME薄膜研发及其力磁特性调控等工艺难点，瞄准5G应用完成多轮芯片制备，并推动理论体系的迭代.

图6 BAW ME天线的技术框架Fig. 6 A framework of the technical solution for the BAW ME antenna

3.3.1 微/纳米尺度下复合ME薄膜的动力学模型

首先，从宏观角度明确复合ME薄膜参数对耦合性能的作用关系；其次，在微观角度利用与弹性动力学、电动力学、Maxwell方程组有关的ME应变本构方程，有效连接力学方程、磁学方程、电磁学方程以及工作过程中附带的损耗方程，来研究频域中的电磁行为；最后，利用FEA方法构建ME异质结的多物理场行为模型，将复合ME薄膜划分为压电相、压磁相和空气子域三个部分进行3D频域分析，模拟其电磁行为，以验证微/纳米尺度下复合ME薄膜的动力学模型即图6中简写为ME动力学模型的正确性.

本团队针对ME动力学模型，首次求解出了2～6层交替堆叠的AIN/FeGaB复合ME薄膜结构对应的能量和辐射功率的解析表达式，并得到了其作为发射元的归一化辐射品质因数. 讨论了堆叠层数对发射元辐射性能的影响，计算结果表明3层AIN/FeGaB复合ME薄膜结构具有最优辐射性能[32]，该模型是ME动力学模型建模的基础. 为了验证所提出的解析模型和计算结果，进一步利用FEA仿真软件构建了多层AIN/FeGaB复合ME薄膜结构的应力模型，仿真结果表明3层结构中磁致伸缩薄膜具有最大的应力场分布，从而揭示了其具有最佳辐射性能的物理本质.

3.3.2 ME机械天线的辐射场理论模型与数值计算方法

首先从BAW ME天线的物理本质出发，通过构建ME动力学模型求解内部电场E和磁场H，以Poynting矢量S为桥梁研究电学性能参数，从而明确天线的频带宽度. 此外，BAW ME天线工作在高频下不可避免地产生电损耗、机械损耗、磁损耗，从而严重影响天线的辐射性能. 因此，需要建立相应的损耗模型来研究BAW ME天线的损耗机理. 该模型和方法不仅适用于Sub-6G频段，也适用于VLF、ULF频段.

本团队针对辐射场损耗模型，建立了压磁相中涡流损耗的FEA模型，分析了三种不同涡流抑制结构对涡流损耗的抑制效果，并提出一种在FeGaB薄膜中采用横竖交叉插入Al2O3绝缘介质层的涡流抑制方法，仿真结果表明该方法可将涡流损耗减小65%以上[33].

3.3.3 复合ME薄膜力-磁特性的表征与工艺调控机制

采用磁控溅射法制备磁致伸缩薄膜，通过表征薄膜的基本物理参数与力 -磁学性能，在BAW ME天线模型指导下调整薄膜的制备工艺参数，形成优化后的ME薄膜以及力 -磁参数体系. 利用MEMS工艺集成方法“BAWR+磁致伸缩薄膜”实现发射元芯片和组阵芯片的制备.

整个研究方案以“BAW ME发射元芯片设计”为多学科交叉汇聚点，初步建立BAW ME类机械天线的融通知识体系，进而显著拓宽现有天线的基础理论. 通过BAW ME发射元芯片的制备与测试评价，既验证了理论模型与辐射机理的正确性，也为该技术的应用探明了解决方案.

4 结 论

“磁源型”天线或机械天线，为突破现有“电源型”天线存在的尺寸微缩难、阻抗匹配难、辐射效率低等原理性桎梏提供了一个全新的方向和可能.

本文在深入认识机械天线物理本质的基础上，对其进行了理论溯源、分类梳理；并以BAW ME天线为典型案例，综述了BAW ME天线技术的研究进展，分析了关键科学问题，进而给出了解决这些问题的技术方案框架. 我们认为，基于BAW介导磁电耦合效应工作原理的BAW ME天线是当前RF频段最有前途的机械天线解决方案，有可能在Sub-6G频段(1～6 GHz)收/发天线等领域率先得到应用.