CN103209773B - 用于无线通信设备中的m型六角铁氧体天线 - Google Patents

Abstract

使用M型铁氧体，例如，锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM：SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉)来制造天线，从而实现了天线的小型化、宽频带和高增益。在一个示例性的实施方式中，天线系统(52)具有基板(55)和形成在所述基板上的贴片天线(33)。所述系统具有与所述贴片天线接触的传导性辐射体(59)，并且所述贴片天线包括M型锶六角铁氧体，其中，铁阳离子被锡(Sn)和锌(Zn)取代，以实现天线的软磁特性。因此，所述锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体的矫顽力比纯SrM的矫顽力低，而其磁导率比纯SrM的磁导率高。这样制造的六角铁氧体贴片天线具有宽频特性，并且在各种频率下(包括GHz频率范围内)都显示出良好的辐射性能。

Description

用于无线通信设备中的M型六角铁氧体天线

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月15日申请的、题为“用于千兆赫贴片天线应用的、锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型六角铁氧体”的美国专利申请61/413,866的优先权，通过引用的方式将其合并于此。

背景技术

高性能的宽带天线已经成为无线通信系统中的重要组成部分。此外，随着移动通信设备尺寸的减少，该小形状因数天线的小型化变得越来越重要。相应的，由于磁性电介质材料（铁氧体）兼有高磁导率（μ_r）和高介电常数（ε_r），人们对磁性电介质天线越来越感兴趣。根据公式λ_eff=c/f√(μ_rε_r)，磁性电介质材料内的波长变短。由于天线的带宽（BW）和μ_r之间的关系：BW∝√(μ_r/ε_r)，天线的带宽（BW）增加。因此，铁氧体的磁导率和介电常数都对天线的性能发挥着重要的作用。

通常，尖晶石型铁氧体与六角晶系铁氧体相比，具有较高的磁导率，但是，由于高频磁损耗严重，所以尖晶石型铁氧体限于低频范围内的天线应用。这主要是由于在铁磁共振（FMR）频率附近，磁损耗突然增加。对于千兆赫（GHz）天线应用来说，铁氧体的FMR频率应当高于天线的谐振频率（fr）。

需要指出的是，根据公式FMR=(γ/2π)H_k，其中，H_k是磁晶各向异性场，γ是旋磁比，铁氧体的高H_k导致了高FMR。因此，六角晶系铁氧体具有高H_k，从而具有高FMR频率，所以六角晶系铁氧体是千兆赫天线基板的很好的候选对象。已经研究出了用于地面数字媒体广播（T-DVB:174-216MHz）天线应用的软Co₂Z铁氧体（Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁）。然而，Co₂Z有一些缺点，例如，高的合成温度（大约1200摄氏度（°C）），以及复杂的相变。另一方面，纯M型六角铁氧体（SrM:SrFe₁₂O₁₉）具有热力学稳定的简单的晶体结构。因此，能够在相对低的温度（约900°C）生产M型六角铁氧体。然而，SrM是硬磁性，并且由于它的高磁晶各向异性，SrM显示出低磁导率。至少基于这个原因，M型六角铁氧体（SrM:SrFe₁₂O₁₉）通常不用于千兆赫天线应用。

附图说明

参考附图能够更好的理解本发明。附图中的元件并没有按照彼此之间的实际尺寸来绘制，而将重点放在了清楚地示出本发明的原理上。此外，在一些附图中，相同的参考标记表示相同的部分。

图1示出了M型锶六角铁氧体（SrFe₁₂O₁₉）的晶体结构和Fe³⁺位的自旋方向。

图2示出了制造锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）粉末的、示例性的方法的流程图。

图3示出了合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）颗粒的X-射线衍射光谱。

图4示出了合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）颗粒的磁化强度和矫顽力。

图5示出了合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）颗粒、在各种加入处理条件下的磁滞回线。

图6示出了计算的、合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉）对各向异性场的铁磁共振（FMR）频率。

图7A示出了测量的、合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）的磁导率谱。

图7B示出了测量的、合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）的介电常数光谱。

图8示出了合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）的磁特性汇总表。

图9示出了无线通信装置的一种示例性的实施方式。

图10示出了用于诸如图9示出的无线通信装置的、示例性的实施方式的贴片天线。

图11A示出了图10所示出的天线系统在同轴电缆已经连接到天线系统的部件之后的顶视图。

图11B示出了图11A示出的同轴电缆的一端的放大图。

图11C示出了图10的贴片天线系统的横截面图。

图12A和12B示出了形成具有合成的锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe₇Zn_2.5Sn_2.5O₁₉）天线的天线系统的、示例性的方法的流程图。

图13示出了测量的天线的电压驻波比（VSWR），所述天线为制造出的图10所示的天线。

图14示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图10所示的天线。

图15示出了用于如图9所示出的无线通信装置的、贴片天线系统的示例性的实施方式。

图16示出了测量的天线的电压驻波比（VSWR），所述天线为制造出的图15所示的天线。

图17示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图15所示的天线。

图18示出了用于如图9所示出的无线通信装置的、贴片天线系统的示例性的实施方式。

图19示出了测量的天线的电压驻波比（VSWR），所述天线为制造出的图18所示的天线。

图20示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图18所示的天线。

图21示出了图10、15和18示出的、制造的天线的尺寸和测量的性能的汇总表。

具体实施方式

本发明总体上涉及特别适用于高频（例如，千兆赫（GHz））应用的天线材料。在一个实施方式中，使用M型铁氧体，例如，锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉）来制造天线，从而实现了天线的小型化、宽频带和高增益。在一个示例性的实施方式中，化合物SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉中的值“x”在2和5之间，但是，在其他实施方式中，“x”的其他取值也是可能的。M型锶六角铁氧体（SrM：SrFe₁₂O₁₉）中的一些铁阳离子由锡（Sn）和锌（Zn）取代，以实现天线的软磁特性。因此，所述M型锶六角铁氧体的矫顽力比纯SrM的矫顽力低，而其磁导率比纯SrM的磁导率高。这样制造的六角铁氧体贴片天线具有宽频特性，并且在各种频率下（包括GHz频率范围内）都显示出良好的辐射性能。在一个实施方式中，采用溶胶-凝胶方法来合成Sn/Zn取代的SrM铁氧体。取代元素Sn和Zn的价格比Z型六角铁氧体（Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁）中的钴（Co）便宜，并且使用Sn/Zn取代的SrM铁氧体比使用Z型六角铁氧体的成本效益高。

参考图1，在纯锶（钡）六角铁氧体中，铁阳离子（Fe3+）占据5个不同的晶体学格位。在锶（或者钡）六角铁氧体的晶格单元中具有24个Fe³⁺磁性阳离子。在这些Fe³⁺磁性阳离子中，在2b位的Fe³⁺具有最高的磁性晶体蛤异性，从而形成了硬磁特性。在4f位的Fe³⁺阳离子的磁性自旋方向背向其他位的方向向下。每个晶格单元的磁化大约为40波耳磁子（μ_B）。在一个实施方式中，在4f和2b位的部分Fe³⁺阳离子被非磁性的Sn和Zn阳离子所取代。该取代消除了Fe³⁺阳离子在4f位的向下自旋，从而导致了饱和磁化的增加。在2b位的取代导致了低的磁各向异性，因此，六角铁氧体变软。

现在将特别的参考图2，来描述示例性的、用于制造Sn/Zn取代的SrM铁氧体（SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉）的溶胶-凝胶合成方法。然而，需要强调的是，可使用其他类型的方法来制造这种材料。

如图2中的块11所示，将按化学计量组成所需的数量的化学原料（SrC_l2·6H₂O,FeC_l3·6H₂O,SnC_l4·xH₂O和ZnC_l2）溶解到乙二醇中，并进行约12小时的磁力搅拌。如块12所示，溶解的溶液在约150°C的温度下，在氮气中回流约2个小时。如块13所示，回流后的溶液在约200°C的热板上蒸发，直到完全蒸发。如块14所示，随后收集蒸发后的粉末，并进行研磨。如块15所示，随后以约550°C的温度对粉末进行加热，以在通风橱中分解有机前躯体。如块16所示，随后在约1450°C的熔炉中对粉末进行焙烧。如图3所示，已通过X-射线衍射图案确认了使用这种方法合成的六角铁氧体粉末。

图4示出了纯SrM和Sn/Zn取代的SrM（SSZM:SrFe₇Sn_2.5Zn_2.5O₁₉）以各种温度进行热处理后的磁性能。随着M型六角铁氧体中Sn和Zn对Fe的取代，矫顽力（Hc）而不是磁硬度降低，同时与纯SrM相比，能保持较高的饱和磁化强度（σs）。这是因为Sn阳离子和Zn阳离子占据了在4f位的向下自旋和在2b位的磁各向异性。相应的，SSZM的矫顽力从纯SrM的约1100Oe大幅下降到约34Oe。需要指出的是，SSZM变软。因此，期望比硬磁性的纯SrM的磁导率更高的磁导率，并期望将这种更高的磁导率应用到高频（例如，GHz）天线应用中。

图5示出了在三个不同温度下热处理的SSZM粉末的磁滞回线。获得了约1500°C（5小时）的样品的最低矫顽力，约为33.89Oe，而1450°C（5小时）的样品显示出最高的磁化强度，约为68.72emu/g。高饱和磁化强度和低矫顽力能够实现高磁导率。因此，在一个示例性实施方式中，选择1450°C（10小时）的样品用于天线制造，然而在其他实施方式中可以选择其他样品。在图8中，汇总了SSZM的磁特性。下面的磁化强度（M）曲线的数值分析用于估计SSZM粉末的各向异性磁场（H_α）。

$M=M_s(1-\frac{{H_a}^2}{{15H}^a})+{\mathrm{\χ}}_{p}H---\left(1\right)$

$H_a=\frac{{2K}_1}{M_s}=\frac{[\mathrm{erg}/{\mathrm{cm}}^3]}{[\mathrm{emu}/{\mathrm{cm}}^3]}=\frac{\left[\mathrm{erg}\right]}{\left[\mathrm{emu}\right]}=\frac{\left[\mathrm{erg}\right]}{\left[\frac{\mathrm{erg}}{\mathrm{Oe}}\right]}=\left[\mathrm{Oe}\right]---\left(2\right)$

其中，Ms为饱和磁化强度，Ha为各向异性磁场，χ_p为高场微分磁化率，H为由退磁场进行退磁的外加磁场，K₁为各向异性常数。通过根据等式（1）拟合磁滞回线，获得SSZM（以1450°C进行约10小时的加热处理）样本的约为4.75kOe的H_a。根据等式（3），该各向异性磁场产生约为13.2GHz的铁磁共振（FMR）频率。

f_resonance=γ(H₀+H_a)

f_r=(2.8MHz/Oe)×(H₀+H_a)(3)

其中Ho是施加的偏置场，Ha为各向异性磁场，γ是回旋磁性比。

图6示出了各向异性场对铁磁共振频率的依赖。图6中的星状标记表示SSZM可适用于高达约13.2GHz。

图7A和图7B分别表示SSZM（以1450°C加热10小时）样本的复磁导率和复介电常数。在2.45GHz，以1300°C烧结的铁氧体的磁导率和介电常数的实部分别为1.37（损耗角正切tanδμ=13%）和22.2（损耗角正切tanδε=10%）。通过采用烧结剂，例如，Bi₂O₃等，能够降低磁损耗角正切和介电损耗角正切。

图9示出了诸如蜂窝电话的无线通信设备25的示例性的实施方式，其具有耦合到天线33的收发器29。在一个示例性的实施方式中，收发器29被配置为在GHz的频率范围内通信，并且我们期望这种GHz应用，天线33的铁氧体基板的FMR频率高于天线33的谐振频率。然而，在其他实施方式中，其他频率也是可能的。

图10示出了具有如图9示出的贴片天线33的天线系统52。天线系统52具有由覆铜箔层压板（CCL）FR4组成的基板55，然而在其他实施方式中，也可使用其他类型的基板材料。如图10所示，在基板55的一部分上形成导电层56，所述导电层56耦合到使用了天线系统52的设备25的地（GND）。如图10所示，天线33也形成在基板55上。辐射体59（形成扁平的导电迹线）形成在天线33的铁氧体基板上和基板55的一部分上。在一个示例性的实施方式中，导电层56和辐射体59都由铜组成，但是，在其他实施方式中，可使用其他导电材料。辐射体59电耦合到收发器29（图10）。例如，如下面将更详细的描述的，辐射体59可耦合到延伸到收发器29的同轴电缆（图10中未示出）。

在一个示例性的实施方式中，天线33由锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体（Sn/Zn取代的SrM：SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉）组成，其中，x取2到5之间的值，然而，在其他实施方式中x可使用其他值。此外，贴片33的长度为9.5毫米（mm），宽度为4.5mm，厚度为1.5mm，然而，在其他实施方式中，其他尺寸也是可能的。使用所示出的尺寸，贴片天线33适合于用作蓝牙1（BT1）天线。

图11A-C示出了当为了为天线辐射体59和其他部件（例如，收发器29（图9））之间提供导电通路，而将同轴电缆63已经耦合到贴片天线33后的图10的天线系统52。如图11C所示，同轴电缆63具有耦合（例如，焊接）到导电层56的外导体66。外导体66内是围绕导电材料的内芯69的绝缘体68。该内芯69在焊接点72处焊接到辐射体59。在其他实施方式中，具有天线33的天线系统52的其他各种配置也是可能的。

下面将参照附图12A和12B，来描述制造图10示出的系统52的示例性的贴片天线33和系统52的示例性的方法。如图12A的块80所示，一旦要设计贴片天线，就要形成锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体的天线基板。图12B示出了执行块80的示例性的方法。在这方面，如图12B的块81所示，根据图2示出的方法来形成锡（Sn）和锌（Zn）取代的M型锶六角铁氧体粉末。如块82所示，随后对所述粉末进行约30分钟的湿摇磨。如块83和84所示，在烘箱中将所属粉末烘干约一小时并收集烘干好的粉末。如块85所示，通过约2750kgf/cm²的冲压，即可使用这种粉末来形成天线33的铁氧体基板，随后如块86所示，将形成的天线33的铁氧体基板以约1300°C烧结约4个小时。如图12A的块90所示，一旦形成天线33的铁氧体基板，就通过切割和蚀刻的方式制备FR4系统板（例如，基板55），并且如块91所示，通过使用传统的微细加工技术（例如，图案化和蚀刻），来形成辐射体59。如块92所示。在形成辐射体59之后，将贴片天线33连接到同轴电缆63。特别的，同轴电缆63的外导体66焊接到导电层56，同轴电缆63的内芯69焊接到辐射体59。

图13示出了测量的、具有图10中的贴片天线33的天线系统52的电压驻波比（VSWR），其中，设置所述贴片天线33的尺寸，使其可用作BT1天线。在VSWR=2:1处，发现测量的天线的带宽大约为780MHz（2.13～2.91GHz）。需要指出的是，六角铁氧体贴片天线显示出宽频带特性，这保证了移动终端在没有匹配的网络时的稳健操作。图14示出了测量的天线增益。在2.36GHz附近获得约为-0.52dBi的最大3D峰值增益。在蓝牙的中心频率2.45GHz，3D峰值增益和3D平均增益分别约为-1.12dBi和-4.02dBi。显然，六角铁氧体贴片天线在宽频带中提供了高性能和均匀的辐射方向图。

图15示出了另外一个实施方式的天线系统52，除了将其尺寸设置为可用作蓝牙2（BT2）天线之外，该天线系统52类似于图10所示出的天线系统。图16示出了测量的图15示出的BT2天线的电压驻波比（VSWR）。在VSWR=2:1处，获得的天线的带宽大约为840MHz（2.11～2.95GHz）。图17示出了测量的图15示出的BT2天线的天线增益。在约2.36GHz，获得约为2.36dBi的最大3D峰值增益。在蓝牙中心频率2.45GHz，3D峰值增益和3D平均增益分别约为0.71dBi和-2.49dBi。

图18示出了天线系统52的另外一个实施方式，除了将其尺寸设置为可用作超宽带（UWB）天线之外，该天线系统52类似于图10所示出的天线系统。图19表示测量的图18示出的UWB天线的电压驻波比（VSWR）。在VSWR=2:1处，发现天线的带宽为约2240MHz(2.66～4.90GHz)。图20示出了在约3GHz到6GHz的频率范围内、图18所示出的天线的天线增益。最大3D峰值增益和3D平均增益分别约为：3.2GH处的3.89dBi和3.6GH处的-1.55dBi。

图21汇总了图10、15和18示出的、制造的六角铁氧体贴片天线（BT1、BT2和UWB）的尺寸和测量的性能。然而，在其他实施方式中，其他尺寸也是可能的。

Claims (11)

1.一种用于无线通信装置(25)的高频天线系统(52)，包括：

基板(55)；

在所述基板上形成的贴片天线(33)，所述贴片天线包括锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体；以及

与所述天线接触的传导性辐射体(59)。

2.根据权利要求1所述的高频天线系统，其中，所述锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体的饱和磁化强度高于纯M型锶六角铁氧体的饱和磁化强度，并且其矫顽力低于纯M型锶六角铁氧体的矫顽力。

3.根据权利要求1所述的高频天线系统，其中，所述锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体包括SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉，其中，x为2和5之间的值。

4.根据权利要求1所述的高频天线系统，其中，通过微细加工形成所述贴片天线和传导性辐射体。

5.根据权利要求1所述的高频天线系统，其中，所述贴片天线的铁氧体基板的铁磁共振频率高于所述天线的谐振频率。

6.一种制造用于无线通信装置(25)的高频天线系统(52)的方法，包括：

提供基板(55)；

在所述基板上形成贴片天线(33)，所述贴片天线包括锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体；以及

在所述贴片天线上形成传导性辐射体(59)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体的饱和磁化强度高于纯M型锶六角铁氧体的饱和磁化强度，并且其矫顽力低于纯M型锶六角铁氧体的矫顽力。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述锡Sn和锌Zn取代的软磁性M型锶六角铁氧体包括SrFe_12-2xZn_xSn_xO₁₉，其中，x为2和5之间的值。

9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括将所述贴片天线耦合到千兆赫(GHz)收发器。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，通过微细加工形成所述贴片天线。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述贴片天线的铁氧体基板的铁磁共振频率高于所述天线的谐振频率。