摘要
声波谐振电小天线颠覆了传统电小天线以电磁波谐振作为理论基础的天线发射和接收模式，它借助声波谐振实现电磁信号的辐射或接收。因为同频的声波波长远小于电磁波波长，声波谐振电小天线的理论尺寸是电磁波谐振电小天线的百万分之一，这对于天线小型化具有重大意义。声波谐振电小天线主要利用工作在声波谐振频点的磁电耦合材料的电-声（谐振）-磁的耦合特性。多相磁电复合材料在声波谐振频点具有高磁电耦合系数，是理想的应用材料。在过去十几年中，对声波谐振电小天线的研究大多集中在理论层面，仅有极少数工作报道了样品制备和实验。为了深入理解声波谐振电小天线基本原理并验证其可行性，本课题从磁电复合材料的材料选择和结构设计等角度出发，开展了kHz、MHz和GHz下工作的声波谐振电小天线理论模型研究，并实验制备了电小天线样品，通过性能测试，证实了方案的可行性。论文主要研究内容与研究结果如下： 首先，设计和制备了基于Fe-Si-B/PIMNT（（110）切型）复合材料的水平声波谐振薄带电小天线（kHz频段），包括水平谐振的L（纵向）-T（横向）型（磁场沿着纵向，电场沿着横向）和M（多重）-L-L型（磁场和电场均沿着纵向）两种结构。将Fe-Si-B非晶磁致伸缩薄带和PIMNT压电单晶粘接温压成型，构筑了不同结构和尺寸的薄带声波谐振电小天线，并表征了天线的发射和接收能力。通过优化水平谐振的L-T型声波谐振电小天线偏置磁场，在其声波一次（半波）谐振模式下实现了天线的收发激励响应，可将其等效为一个磁偶极子天线。研究表明，优化天线样品的宽度（2-6mm）可以改善其收发性能，而调整天线样品长度（50-200mm），可以实现从10kHz到45kHz的频率调控特性。理论和实验均表明，样品宽度越小和长度越大，所需偏置磁场越小；而谐振频率和样品长度呈反比。在工作频率为~25kHz时，优化设计的样品尺寸为6mm*80mm，其正磁电耦合系数高达1771V/cm·Oe（49.59V/Oe）。通过测试得到了该天线样品近场接收方向图。 其次，设计和制备了基于Fe-Ga/PIMNT（（001）切型）复合材料的垂直声波谐振薄片电小天线（MHz/kHz频段）。利用多物理场仿真，分析了垂直谐振L-T型三层结构和双层结构声波谐振电小天线的辐射频点和辐射效率，证明了该方案的可行性。根据设计的模型，将定向凝固的Fe-Ga合金薄片和PIMNT压电单晶粘接温压成型，构筑不同结构的声波谐振电小天线。虽然由于环氧树脂削弱了垂直非剪切的声波传导，实验测试中没有证实天线在设计频率（MHz频段）下工作，但在低频（kHz频段）下获得了两种结构样品弯曲谐振模式。对比水平谐振的L-T型声波谐振电小天线，该低频弯曲振动模式的声波谐振电小天线接收性能明显差很多。前者的正磁电耦合系数为27.7V/cm·Oe（0.69V/Oe），而后者的正磁电耦合系数为1771V/cm·Oe（49.59V/Oe），因此不具备使用的优势。进一步发现在弯曲谐振模式下，双层结构比三层结构具有更优的性能。 最后，设计了基于Fe-Ga/AlN复合薄膜材料的垂直声波谐振薄膜电小天线（GHz频段），主要研究了用于该类小天线的压电和磁致伸缩薄膜材料的制备工艺。利用直流磁控溅射，在常温下通过优化溅射工艺并制备了具有面外（002）择优取向的AlN薄膜和具有面外（110）取向的Fe-Ga合金薄膜。分析了薄膜结构和磁性能与制备工艺的关系，为下一步实现薄膜声波谐振电小天线打下了基础。 本课题工作验证了基于磁电复合材料的声波谐振电小天线的理论可行性，为设计不同频率声波谐振电小天线提供了重要的参考依据。
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