天线设计中的磁介质材料探索可重构潜力 _磁场

?from：IEEE&
(Vol. 61 / No. 1 / Feb. 2019, pp:29-40)
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这篇文章针对铁氧体在外置磁场下磁导率发生变化这个特点，探讨铁氧体在可重构天线中的应用。文中对铁氧体材料的选择，磁导率数学模型的建立等进行分析，给出铁氧体可重构天线的设计流程，以及样件仿真与实测结果的对比。
【天线设计中的磁介质材料探索可重构潜力】-- 正文 --
概述：天线中的磁性材料
磁性材料一般是指相对介电常数和相对磁导率都大于1的磁介质材料。它可以用于天线的小型化——中等大小相对介电常数和相对磁导率的磁性材料即可达到高介电常数的普通介质材料的效果。人工磁介质具有色散特性，天线小型化后带宽窄；而具有低损耗、低色散特性的天然磁性掺杂材料，在天线小型化方面具有更广泛的应用前景。
现代通信系统要求天线可以适应各种信道条件，因而发展出多种可重构机制，包括开关切换，机械调节，或者利用可调材料（铁电体、铁磁体、液晶）等。选择合适的机制是实际应用前的重要环节，需要综合考量需求、价格和复杂度。本文主要研究铁磁材料——铁氧体，它可以利用简单、经济的方法改变天线特性（例如，在微带贴片天线外加静磁场即可改变谐振频率和极化）。通过控制天线基板的铁氧体掺杂量，可以在磁损和可重构程度之间折衷。
为紧凑器件中的铁氧体提供偏置磁场是一个重要课题。图1(a)中在天线外部加永磁体是一种常用方案，永磁体的大小与需要的磁场强度相关。图1(b)采用LTCC工艺将偏置线圈嵌在铁氧体基片中，这种内部偏置方案更有发展前景。另外还有研究利用自偏置磁性材料改善了天线性能。建立铁氧体可调性精确模型的关键是磁导率的数学描述。
?图1 铁氧体天线的偏置磁场方案
铁氧体在天线中的应用
用于天线的磁性材料必须具有高阻特性。铁磁氧化物具有绝缘特性，且在偏置磁场下有独特的磁特性，是一种非常合适的材料。铁磁氧化物根据晶体结构可分为尖晶石、石榴石和六角铁氧体。尖晶石是在3-30GHz最常用的铁氧体，镍尖晶石可用于大功率；石榴石可用在1-10GHz；六角铁氧体则用于以下的高频。铁氧体一般具有高介电常数(10~20) 和低介电损耗(10e-4~10e-3)，它的磁特性(饱和磁化、铁磁共振线宽、磁导率)与化学成分和微观结构相关。后二者由加工工艺决定，因此可以根据需求制作相应磁特性的铁氧体。
铁氧体是一种可划分成磁畴( )的多晶体材料。当不存在外置静磁场Ha时，这些磁畴的方向是随机的；当Ha>0时，磁畴逐渐沿磁场方向排布；当Ha足够大到使铁氧体达到饱和态后，磁化不再增加。
另外，外置磁场会使磁偶极按照一定的角频率w0沿自身轴线进动( )，而射频磁场|hRF|
?式中
?表征磁偶极的阻磁特性。△H表示共振线宽( )，是材料的物理特性，反映因共振现象使铁氧体吸收微波带来的损耗程度。当w=w0时，这种能量耦合达到最大，称为铁磁共振(FMR) 。
偏置的铁氧体与射频磁场的相互作用取决于Ha与hRF的夹角。铁氧体在外置静磁场Ha下表现的各向异性可由磁导率张量[u]表示如式(2)
?式中各元素不是独立的。当Ha=0时，磁导率为各向同性的标量。在本文的讨论范围，铁石榴石是最为合适的材料。它具有较低的抗磁性和饱和磁场，因此用较弱的偏置磁场即可使其饱和，其成本相对也较低。表2中所示为各种铁氧体的参数，其中钇铁石榴石(YIG)最为常用。
?铁氧体磁导率模型
铁氧体的偏置磁场起“开关”作用。根据偏置磁场强度Ha的不同，铁氧体处于不同状态，磁导率模型也不同：

天线设计中的磁介质材料 探索可重构潜力

天线设计中的磁介质材料探索可重构潜力