A.J.A. Al-Gburi
亚太大学战略研究所（SRI），马来西亚科技园科技路5号，吉隆坡，57000，马来西亚
**摘要**
纳米级机电系统（NEMS）磁电（ME）天线与传统电磁天线相比提供了一个全新的平台，其工作原理基于声学机械共振调制和应变介导的磁电耦合，而非传统的天线辐射。因此，本文探讨了亚波长尺度下ME天线的基本物理原理、材料系统、器件配置和制造技术。通过结合磁电物理学和天线理论的概念，系统地分析了基于ME器件的经典天线性能参数，并澄清了关于辐射、效率和带宽的常见误解。文章还概述了最近的实验成果，强调了先进的NEMS磁电技术在超微型无线通信链路、可植入生物医学平台和高灵敏度磁场传感系统中的潜力。此外，本文还批判性地讨论了关键挑战、技术限制以及未来研究方向，以指导下一代NEMS磁电天线技术的发展。
**引言**
近年来，无线通信和传感系统向微型化发展的趋势给传统电磁（EM）天线带来了重大挑战，尤其是当它们的物理尺寸远小于工作波长时。在这种电学上极小的情况下，天线性能受到经典电磁极限的制约，这些极限在增益、带宽和辐射效率之间产生了固有的权衡。这些限制在天线理论中已有明确描述，并由Chu极限[1]进一步扩展，随后Harrington[2]对其进行了补充。随着天线尺寸的减小，储存的无功能量显著增加，导致性能严重下降。尽管采用了多种微型化技术（如高介电常数基板、几何弯曲和反应性加载），但这些方法通常存在带宽窄、效率低和损耗增加等固有缺点，难以满足下一代超小型平台（如可植入生物医学设备、分布式物联网（IoT）节点和纳米级传感系统）的严格要求[3][4][5]。
为应对这些挑战，人们越来越多地研究和探索基于电磁辐射的非经典转换机制。特别是纳米级机电系统（NEMS）磁电（ME）天线，这种技术突破了传统的波长缩放限制。ME天线利用压电材料和磁致伸缩材料之间的应变介导的磁电耦合来调制机械振动中的电信号，进而产生振荡磁场[6][7][8]。这种根本不同的工作原理使得ME天线的物理尺寸比在相似频率下工作的传统EM天线小几个数量级。
磁电（ME）天线的基础发展源于多铁性复合材料的研究，尤其是那些通过弹性应变传递表现出强磁电耦合的层压和薄膜异质结构[6,9]。薄膜沉积和微纳制造的最新进展使得高质量压电材料（如AlN和掺Sc的AlN）与磁致伸缩层（如FeGaB和Metglas）的集成成为可能[8]。基于这些材料平台的NEMS器件可以实现高频机械共振，并已被用于实现射频操作的紧凑结构[7,10]。与传统电磁天线不同，ME天线主要依靠声学共振进行信号转换。
在用于磁电（ME）器件的压电材料中，PZT、PMN-PT、PZN-PT和AlN是最常用的，用于将电激励转换为机械应变[11][12][13][14][15]。PZT具有较高的机电耦合系数（约−200至−300 pC/N），同时成本低且易于制造；然而，铅的毒性以及相对较高的声学损耗限制了其在高频下的应用。相比之下，AlN具有优异的热稳定性、低介电损耗和与CMOS的兼容性，但其较低的压电系数（约−2 pC/N）限制了强磁电耦合。单晶材料如PMN-PT和PZN-PT的压电系数较高（可达约2800 pC/N），使其非常适合高性能ME器件，尽管其实际应用受到复杂制造过程和成分及晶体取向的影响[16][17][18][19]。
实验验证表明，ME天线在VHF/UHF频段具有广泛的适用性。Dong等人的早期工作展示了用于VLF通信的紧凑型磁电天线[20]。Mazón-Maldonado等人的后续研究表明，即使器件尺寸远小于电磁波长，ME天线也能建立无线连接[21]。最近的研究表明，基于NEMS的ME天线在传统EM天线严重衰减的紧密分散介质中表现出强烈的磁场敏感性和稳定的传感行为[22]。然而，即使有这些进展，ME天线的性能解释和测量仍然具有挑战性。与传统主要发射传播电磁波的天线不同，ME天线基于机电-磁混合机制，结合了近场磁耦合（也称为感应相互作用）和远场辐射机制[23,24]。因此，典型的天线参数（如增益/辐射效率/带宽）有时被不系统地使用或缺乏物理依据。此外，电小等效环路天线或感应线圈并不总是在相同的操作条件下进行比较，这导致了对于基于ME的器件真实优势和局限性的模糊认识[25]。
尽管已有许多综述文章回顾了磁电材料和器件的发展历程，但据我们所知，大多数综述仍侧重于材料或器件本身，而对天线原理、系统集成和实际应用场景的关注较少[8,21,22]。一个涵盖磁电物理学、天线理论、制造过程和系统性能评估的全面框架仍然缺失。特别是，需要一个能够阐明工作原理并提出适当基准测试技术的综合框架，以便将这些天线无缝集成到未来的无线通信和传感设备中。最近的综述（如[26]）提供了关于磁电（ME）天线的全面概述，涵盖了它们的工作原理、材料平台、器件结构、制造方法和不同应用领域的实验表征技术[27]。这些研究通过总结多铁性材料和声学驱动无线设备的快速进展，极大地推动了ME天线研究的发展。然而，大多数现有综述仍然主要是描述性的和以器件为中心的，对ME天线辐射机制的独特物理解释及其对纳米级无线系统的影响讨论有限。特别是在纳米级机电系统（NEMS）中实现ME天线时，额外的制造约束、缩放效应和机电耦合挑战尚未得到充分讨论。
为了更好地说明当前综述文献的现状并澄清本文所解决的研究空白，表1提供了最相关综述文章的比较总结。如表所示，早期研究主要集中在磁电材料、层压复合材料、MEMS级谐振器或生物医学无线能量传输系统上，而对NEMS导向的天线架构、纳米级传感范式、基准测试方法以及传统天线性能指标的重新解释关注较少。受这些缺点的启发，本文建立了一个专注于NEMS的框架，将磁电耦合物理、制造策略、器件架构、天线性能解释和新兴的纳米级无线传感应用联系起来。本文旨在提供NEMS磁电天线的批判性和系统级概述，讨论了磁电耦合的潜在机制、材料平台和器件架构，以及为纳米级实现量身定制的制造过程，并重新评估了基于ME原理的关键天线性能指标。最近的实际应用包括超紧凑型无线链路、可植入生物医学系统和磁场传感。最后，深入讨论了新兴挑战和未来研究方向，包括可能仍影响这些系统在光学物理和工程领域理解的持续误解。
图1中的文献计量图展示了ME天线研究的知识结构和主题关系。从图中可以看出，ME天线位于三个主要研究领域的交叉点：经典电磁天线理论、微波和射频系统以及磁电和压电材料中的声学机电转换。关键词（如磁电、天线、声波和微波系统）之间的强烈关联突显了ME天线的混合工作原理，即结合机械共振和磁耦合以实现无线功能。在这种情况下，需要一个统一的框架来连接材料物理、器件架构和天线性能评估。
**基本磁电效应及其材料和物理起源**
作为多铁性材料的一类，磁电（ME）材料同时具有铁电和磁性质，使其在多功能器件和进一步微型化方面具有巨大潜力。磁电效应最早由Dzyaloshinskii在1959年理论预测，并由Astrov在20世纪60年代初在单相材料Cr2O3中实验验证[28,29]。后续研究进一步扩展了对磁电现象的理解。
**NEMS中的磁电耦合基础**
磁电（ME）耦合描述了通过机械应变介导的磁域和电域之间的相互作用。对于大多数与射频相关的ME天线，主要机制是在复合异质结构（而非单相多铁性材料）中的应变介导耦合，其中压电层与磁致伸缩层弹性结合[6,9,17]。这种复合方法在室温下提供强磁电响应，并适用于薄膜和微纳制造工艺。
**NEMS磁电天线的制造**
NEMS磁电（ME）天线的制造基于将压电和磁致伸缩薄膜确定性集成到纳米图案化、机械共振且电可访问的结构中。与传统RF天线不同，后者的性能主要由波长级的几何特征决定，而ME天线则严重依赖于薄膜材料质量、界面应变传递和声学共振工程。
**NEMS磁电天线的未来方向和研究展望**
NEMS磁电（ME）天线的未来研究预计将从概念验证演示发展到可扩展、可调谐和完全集成的系统，如图9所示。在材料层面，低损耗磁致伸缩和压电薄膜的进步，以及改进的界面工程和磁化分级或自偏置复合材料，将对提高应变传递效率、品质因数和无偏操作至关重要。
**结论**
纳米机电系统（NEMS）磁电（ME）天线通过利用应变介导的磁电耦合和声学共振，为无线通信和传感建立了变革性范式，这与传统的远场电磁辐射机制不同。这一根本性的转变使得天线能够在远低于经典极限的尺寸下实现功能，为极端微型化开辟了新的机会。本文系统地探讨了……
**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
**致谢**
作者衷心感谢亚太科技与创新大学（APU）和战略研究所（SRI）对这项项目的支持。Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi（IEEE高级会员）分别于2017年和2021年在马来西亚马六甲理工大学（UTeM）获得了电子与计算机工程（电信系统）的硕士和博士学位。他目前是马来西亚吉隆坡亚太科技与创新大学战略研究所（SRI）的副教授，同时担任UTeM的研究员。此前，他曾在该校担任高级职务。
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