專利名稱：用于無線通信設(shè)備中的m型六角鐵氧體天線的制作方法
用于無線通信設(shè)備中的M型六角鐵氧體天線相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2010年11月15日申請(qǐng)的、題為“用于千兆赫貼片天線應(yīng)用的、錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型六角鐵氧體”的美國(guó)專利申請(qǐng)61/413，866的優(yōu)先權(quán),通過引用的方式將其合并于此。
背景技術(shù)：
高性能的寬帶天線已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分。此外，隨著移動(dòng)通信設(shè)備尺寸的減少，該小形狀因數(shù)天線的小型化變得越來越重要。相應(yīng)的，由于磁性電介質(zhì)材料(鐵氧體)兼有高磁導(dǎo)率(μ r)和高介電常數(shù)(ε J，人們對(duì)磁性電介質(zhì)天線越來越感興趣。根據(jù)公式Xrff=c/f V磁性電介質(zhì)材料內(nèi)的波長(zhǎng)變短。由于天線的帶寬(BW)和Ur之間的關(guān)系:BW V (μ^/ε山天線的帶寬(BW)增加。因此，鐵氧體的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都對(duì)天線的性能發(fā)揮著重要的作用。通常，尖晶石型鐵氧體與六角晶系鐵氧體相比，具有較高的磁導(dǎo)率，但是，由于高頻磁損耗嚴(yán)重，所以尖晶石型鐵氧體限于低頻范圍內(nèi)的天線應(yīng)用。這主要是由于在鐵磁共振(FMR)頻率附近，磁損耗突然增加。對(duì)于千兆赫(GHz)天線應(yīng)用來說，鐵氧體的FMR頻率應(yīng)當(dāng)高于天線的諧振頻率(fr)。需要指出的是，根據(jù)公式FMR=U /2 )Hk，其中，Hk是磁晶各向異性場(chǎng)，Y是旋磁t匕，鐵氧體的高Hk導(dǎo)致了高FMR。因此，六角晶系鐵氧體具有高Hk，從而具有高FMR頻率，所以六角晶系鐵氧體是千兆赫天線基板的很好的候選對(duì)象。已經(jīng)研究出了用于地面數(shù)字媒體廣播(T-DVB: 174-216MHZ)天線應(yīng)用的軟Co2Z鐵氧體(Ba3Co2Fe24O41)15然而，Co2Z有一些缺點(diǎn)，例如，高的合成溫度(大約1200攝氏度(° C))，以及復(fù)雜的相變。另一方面，純M型六角鐵氧體(SrM=SrFe12O 19)具有熱力學(xué)穩(wěn)定的簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。因此，能夠在相對(duì)低的溫度(約900° C)生產(chǎn)M型六角鐵氧體。然而，SrM是硬磁性，并且由于它的高磁晶各向異性，SrM顯示出低磁導(dǎo)率。至少基于這個(gè)原因，M型六角鐵氧體(SrM=SrFe12O19)通常不用于千兆赫天線應(yīng)用。


參考附圖能夠更好的理解本發(fā)明。附圖中的元件并沒有按照彼此之間的實(shí)際尺寸來繪制，而將重點(diǎn)放在了清楚地示出本發(fā)明的原理上。此外，在一些附圖中，相同的參考標(biāo)記表示相同的部分。圖1示出了 M型鍶六角鐵氧體(SrFe12O19)的晶體結(jié)構(gòu)和Fe3+位的自旋方向。圖2示出了制造錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)粉末的、示例性的方法的流程圖。圖3示出了合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)顆粒的X-射線衍射光譜。圖4示出了合成的錫(Sn )和鋅(Zn )取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)顆粒的磁化強(qiáng)度和矯頑力。圖5示出了合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2 5Sn2 5019)顆粒、在各種加入處理?xiàng)l件下的磁滯回線。圖6示出了計(jì)算的、合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe12^2xZnxSnxO19)對(duì)各向異性場(chǎng)的鐵磁共振(FMR)頻率。圖7A示出了測(cè)量的、合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的 SrM: SrFe7Zn2 5Sn2 5019)的磁導(dǎo)率譜。圖7B示出了測(cè)量的、合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)的介電常數(shù)光譜。圖8示出了合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2 5Sn2 5019)的磁特性匯總表。圖9示出了無線通信裝置的一種示例性的實(shí)施方式。圖10示出了用于諸如圖9示出的無線通信裝置的、示例性的實(shí)施方式的貼片天線。圖1lA示出了圖10所示出的天線系統(tǒng)在同軸電纜已經(jīng)連接到天線系統(tǒng)的部件之后的頂視圖。

圖1lB示出了圖1lA示出的同軸電纜的一端的放大圖。圖1lC示出了圖10的貼片天線系統(tǒng)的橫截面圖。圖12A和12B示出了形成具有合成的錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)天線的天線系統(tǒng)的、示例性的方法的流程圖。圖13示出了測(cè)量的天線的電壓駐波比(VSWR)，所述天線為制造出的圖10所示的天線。圖14示出了測(cè)量的天線的平均增益和峰值增益，所述天線為制造出的圖10所示的天線。圖15示出了用于如圖9所示出的無線通信裝置的、貼片天線系統(tǒng)的示例性的實(shí)施方式。圖16示出了測(cè)量的天線的電壓駐波比(VSWR)，所述天線為制造出的圖15所示的天線。圖17示出了測(cè)量的天線的平均增益和峰值增益，所述天線為制造出的圖15所示的天線。圖18示出了用于如圖9所示出的無線通信裝置的、貼片天線系統(tǒng)的示例性的實(shí)施方式。圖19示出了測(cè)量的天線的電壓駐波比(VSWR)，所述天線為制造出的圖18所示的天線。圖20示出了測(cè)量的天線的平均增益和峰值增益，所述天線為制造出的圖18所示的天線。圖21示出了圖10、15和18示出的、制造的天線的尺寸和測(cè)量的性能的匯總表。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明總體上涉及特別適用于高頻(例如，千兆赫(GHz))應(yīng)用的天線材料。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用M型鐵氧體，例如，錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrM:SrFe12_2xZnxSnx019)來制造天線,從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶和高增益。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，化合物SrFe12_2xZnxSnx019中的值“x”在2和5之間，但是，在其他實(shí)施方式中，“X”的其他取值也是可能的。M型鍶六角鐵氧體(SrM =SrFe12O19)中的一些鐵陽離子由錫(Sn)和鋅(Zn)取代，以實(shí)現(xiàn)天線的軟磁特性。因此，所述M型鍶六角鐵氧體的矯頑力比純SrM的矯頑力低，而其磁導(dǎo)率比純SrM的磁導(dǎo)率高。這樣制造的六角鐵氧體貼片天線具有寬頻特性，并且在各種頻率下(包括GHz頻率范圍內(nèi))都顯示出良好的輻射性能。在一個(gè)實(shí)施方式中，采用溶膠-凝膠方法來合成Sn/Zn取代的SrM鐵氧體。取代元素Sn和Zn的價(jià)格比Z型六角鐵氧體(Ba3Co2Fe24O41)中的鈷(Co)便宜，并且使用Sn/Zn取代的SrM鐵氧體比使用Z型六角鐵氧體的成本效益高。參考圖1，在純鍶(鋇)六角鐵氧體中，鐵陽離子(Fe3+)占據(jù)5個(gè)不同的晶體學(xué)格位。在鍶(或者鋇)六角鐵氧體的晶格單元中具有24個(gè)Fe3+磁性陽離子。在這些Fe3+磁性陽離子中，在2b位的Fe3+具有最高的磁性晶體蛤異性，從而形成了硬磁特性。在4f位的Fe3+陽離子的磁性自旋方向背向其他位的方向向下。每個(gè)晶格單元的磁化大約為40波耳磁子(μ Β)。在一個(gè)實(shí)施方式中，在4f和2b位的部分Fe3+陽離子被非磁性的Sn和Zn陽離子所取代。該取代消除了 Fe3+陽離子在4f位的向下自旋，從而導(dǎo)致了飽和磁化的增加。在2b位的取代導(dǎo)致了低的磁各向異性，因此，六角鐵氧體變軟?，F(xiàn)在將特別的參考圖2，來描述示例性的、用于制造Sn/Zn取代的SrM鐵氧體(SrFe12^2xZnxSnxO19)的溶膠-凝膠合成方法。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，可使用其他類型的方法來制造這種材料。如圖2中的塊11所示，將按化學(xué)計(jì)量組成所需的數(shù)量的化學(xué)原料(SrC12.6Η20，F(xiàn)eC13.6Η20, SnC14.χΗ2(^Ρ ZnC12)溶解到乙二醇中，并進(jìn)行約12小時(shí)的磁力攪拌。如塊12所示，溶解的溶液在約150° C的溫度下，在氮?dú)庵谢亓骷s2個(gè)小時(shí)。如塊13所示，回流后的溶液在約200° C的熱板上蒸發(fā) ，直到完全蒸發(fā)。如塊14所示，隨后收集蒸發(fā)后的粉末，并進(jìn)行研磨。如塊15所示，隨后以約550° C的溫度對(duì)粉末進(jìn)行加熱，以在通風(fēng)櫥中分解有機(jī)前軀體。如塊16所示，隨后在約1450° C的熔爐中對(duì)粉末進(jìn)行焙燒。如圖3所示，已通過X-射線衍射圖案確認(rèn)了使用這種方法合成的六角鐵氧體粉末。圖4示出了純SrM和Sn/Zn取代的SrM (SSZM=SrFe7Sn2.5Ζη2.5019)以各種溫度進(jìn)行熱處理后的磁性能。隨著M型六角鐵氧體中Sn和Zn對(duì)Fe的取代,矯頑力(He)而不是磁硬度降低，同時(shí)與純SrM相比，能保持較高的飽和磁化強(qiáng)度(σ S)。這是因?yàn)镾n陽離子和Zn陽離子占據(jù)了在4f位的向下自旋和在2b位的磁各向異性。相應(yīng)的，SSZM的矯頑力從純SrM的約IlOOOe大幅下降到約340e。需要指出的是，SSZM變軟。因此，期望比硬磁性的純SrM的磁導(dǎo)率更高的磁導(dǎo)率，并期望將這種更高的磁導(dǎo)率應(yīng)用到高頻(例如，GHz)天線應(yīng)用中。圖5示出了在三個(gè)不同溫度下熱處理的SSZM粉末的磁滯回線。獲得了約1500 ° C(5小時(shí))的樣品的最低矯頑力，約為33.890e，而1450° C (5小時(shí))的樣品顯示出最高的磁化強(qiáng)度，約為68.72emu/g。高飽和磁化強(qiáng)度和低矯頑力能夠?qū)崿F(xiàn)高磁導(dǎo)率。因此，在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，選擇1450° C (10小時(shí))的樣品用于天線制造，然而在其他實(shí)施方式中可以選擇其他樣品。在圖8中，匯總了 SSZM的磁特性。下面的磁化強(qiáng)度(M)曲線的數(shù)值分析用于估計(jì)SSZM粉末的各向異性磁場(chǎng)(H α )。
權(quán)利要求
1.一種用于無線通信裝置(25)的天線系統(tǒng)(52)，包括: 基板(55)； 在所述基板上形成的貼片天線(33)，所述貼片天線包括軟磁性M型六角鐵氧體；以及 與所述天線接觸的傳導(dǎo)性輻射體(59)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述M型六角鐵氧體包括錫Sn和鋅Zn。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述M型六角鐵氧體包括錫Sn和鋅Zn取代的M型鍶六角鐵氧體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述M型六角鐵氧體包括SrFe12_2xZnxSnx019，其中，X為2和5之間的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，通過微細(xì)加工形成所述貼片芯片和傳導(dǎo)性輻射體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述貼片天線的鐵氧體基板的鐵磁共振頻率高于所述天線的諧振頻率。
7.—種制造用于無線通信裝置(25)的天線系統(tǒng)(52)的方法，包括: 提供基板(55)； 在所述基板上形成貼片天線(33)，所述貼片天線包括軟磁性M型六角鐵氧體；以及 在所述貼片天線上形成傳導(dǎo)性輻射體(59)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述M型六角鐵氧體包括錫(Sn)和鋅(Zn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述M型六角鐵氧體包括錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述M型六角鐵氧體包括SrFe12_2xZnxSnx019，其中，X為2和5之間的值。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括將所述貼片天線耦合到千兆赫(GHz)收發(fā)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，通過微細(xì)加工形成所述貼片芯片。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線芯片，其中，所述貼片天線的鐵氧體基板的鐵磁共振頻率高于所述天線的諧振頻率。
全文摘要
使用M型鐵氧體，例如，錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體(Sn/Zn取代的SrMSrFe12-2xZnxSnxO19)來制造天線，從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶和高增益。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，天線系統(tǒng)(52)具有基板(55)和形成在所述基板上的貼片天線(33)。所述系統(tǒng)具有與所述貼片天線接觸的傳導(dǎo)性輻射體(59)，并且所述貼片天線包括M型鍶六角鐵氧體，其中，鐵陽離子被錫(Sn)和鋅(Zn)取代，以實(shí)現(xiàn)天線的軟磁特性。因此，所述錫(Sn)和鋅(Zn)取代的M型鍶六角鐵氧體的矯頑力比純SrM的矯頑力低，而其磁導(dǎo)率比純SrM的磁導(dǎo)率高。這樣制造的六角鐵氧體貼片天線具有寬頻特性，并且在各種頻率下(包括GHz頻率范圍內(nèi))都顯示出良好的輻射性能。
文檔編號(hào)B05D5/12GK103209773SQ201180054794
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者Y-K·洪, S·白, J-J·李 申請(qǐng)人:代表阿拉巴馬大學(xué)的阿拉巴馬大學(xué)理事會(huì)