天线设计中的磁介质材料探索可重构潜力( 二 ) _磁场

当没有偏置磁场(Ha=0)时，式(3)广泛用于表示铁氧体的标量磁导率u
?式中w表示工作频率，wm为最低允许工作频率，其大小与铁氧体材料固有的饱和磁场(4пMs)有关。当wwm时，u为实数，且当w>>wm时，u逐渐增大并趋近于1 。图2所示为具有不同饱和磁场的材料磁导率随工作频率的变化，可以看出具有较小饱和磁场的材料，可以在更低的频率工作。
?图2 具有不同饱和磁场材料磁导率随工作频率的变化
当偏置磁场Ha>0时但没有使铁氧体磁化饱和时，铁氧体内磁畴的形状没有规律，描述磁导率模型更为复杂。早期模型是根据实验给出的经验模型，直到最后有了广义磁导率张量(GPT)模型，可以很好地描述偏置铁氧体在各种状态下的磁导率。
当铁氧体内的磁场强度H0>N*4пMs时认为铁氧体进入饱和磁化态，N为退磁化因子( ) 。此时可以由式(4)描述磁导率张量
?式中u和k皆为与工作频率相关的复数。图3所示为u和k随工作频率的变化曲线，如前文所述，当工作频率w与铁氧体内部磁场H0产生的进动频率w0相等时，发生铁磁共振，磁损耗达到最大值。
?图3 不同内部场强H0会在不同频率发生铁磁共振，损耗最大图4所示为不同的共振线宽△H对应的磁损耗。单晶铁氧体的△H较小，因此磁损耗仅在很窄的内部场强带宽内很大；而多晶铁氧体的△H较大，磁损耗在宽带内都较大。
?图4 不同共振线宽在不同场强下的磁损耗对于理想的铁氧体，内部磁场强度H0与外部偏置磁场强度Ha相等。而实际铁氧体会产生一个与H0相反的去磁化场Hd，使得
?式中去磁化因子N是一个与材料形状和外置磁场方向相关的量。若将这两个相关因素也考虑进去的话，铁磁共振频率wr也需要做相应的修正。表3所示为不同形状对应的铁磁共振频率，差异相当明显。
?综上，饱和磁化态下的磁导率张量是一个与偏置磁场的强度、方向，铁氧体形状、磁化特性等多个参数相关的物理量。
铁氧体可重构天线
图5所示为文中提出的铁氧体天线设计流程。铁氧体天线可分为两个工作状态：“关”状态（无外置磁场）和“开”状态（外置饱和磁场），分别对应一个设计流程。“关”状态利用式(3)确定磁导率后直接进行电磁仿真；“开”状态要首先分析在外置饱和磁场状态下铁氧体内部磁场的状态，然后利用式(4)确定磁导率张量后才能进行电磁仿真，若内部磁场各向异性，还需要分区计算。
?图5 铁氧体天线设计流程
图6所示为铁氧体天线示意图。采用方形贴片天线形式，微带线耦合馈电。铁氧体材料选用YIG石榴石(相对介电常数=15，损耗角正切=0.0002，饱和磁场4пMs=1820G，共振线宽△H=18)，嵌在贴片与馈电线之间的介质板(TLY-3)中。外置磁场垂直于介质板表面。
?图6 铁氧体天线示意图
图7所示为天线仿真S11曲线。图中黑色虚线为“关”状态，天线谐振于5.68GHz；红色线为理想“开”状态，天线呈现双谐振特性(4.4GHz，5.25GHz)；蓝色线为考虑了去磁化场Hd的“开”状态，两个谐振点均有明显偏移。
?图7 仿真S11曲线
另外，在“关”状态下，天线为线极化；在“开”状态下，低频谐振点为右旋椭圆极化，高频谐振点为左旋圆极化。造成极化改变的原因是磁偏压与电磁场的相互作用。表4所示为天线性能汇总，在“开”、“关”状态下天线效率相当。

文章插图
图9所示为样件照片，图10为暗室测试照片。利用永磁体提供外置磁场，永磁体放置在天线地板后，通过调节距离控制磁场强度。

天线设计中的磁介质材料 探索可重构潜力( 二 )

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