天线作为电磁（EM）信号转换的核心组件，对提升系统性能至关重要。特别是在低频段，传统天线的较大尺寸限制了设备的微型化和集成[[1], [2], [3], [4], [5]]。磁电（ME）天线[[6], [7], [8]]通过利用声共振进行电磁波的传输和接收，提供了一种新颖的方法。由于声波的波长显著较短，这种结构可以将天线尺寸减小大约4-5个数量级[9,10]。在实现微型化的同时，ME天线还提高了低频效率，在水下/地下通信[11,12]和植入式医疗设备[13,14]中展现出潜力。然而，实际应用面临多重挑战：其高Q因子本质上限制了工作带宽，难以在高选择性和宽带宽之间取得平衡。此外，在追求微型化和低功耗的要求下，提高效率成为关键瓶颈——在微/纳米尺度上同时提高机电效率和辐射效率仍然是一个关键问题[15]。因此，在保持高Q因子和小尺寸优势的同时有效拓宽带宽和提高效率已成为ME天线开发中的核心挑战。
为应对这些挑战，学术界在ME效应建模和ME天线性能优化方面进行了系统研究，取得了显著进展，同时也揭示了该领域的一些关键局限性。关于ME效应的研究主要集中在深入探讨ME复合材料（例如层状或颗粒状复合材料）[16,17]的内在效应、高性能组成材料（如新型铁电/铁磁材料）[18,19]的开发，以及影响有效磁电系数的因素的系统研究，包括材料组成类型、微观/宏观结构配置[[20], [21], [22]]和静态外部激励（例如直流偏置场和温度）[23,24]]。这些基础研究为理解ME天线的耦合磁电机械动态行为建立了坚实的理论基础[[25], [26], [27], [28], [29]]。然而，大多数工作仅关注材料内部的静态或准静态多物理场耦合，对结构在动态激励下的整体辐射行为及其与周围环境的相互作用关注不足。
随着研究的深入，理论重点逐渐转向阐明动态多物理场耦合机制，并开发用于预测辐射特性的仿真方法和模型。例如，姚等人[[30], [31], [32]]提出了一种适用于模拟动态磁弹性耦合的时域有限差分技术，有效模拟了能量转换和波传播过程。徐等人[33]开发了基于有限元的单元级耦合模型，为分析集成天线的性能提供了有效工具。然而，这些工作中的线性化处理和弱磁场假设限制了它们的适用性。此外，基于等效磁偶极子和电磁扰动理论[34,35]的研究从近场、远场和效率等方面增强了了对辐射性能的理解，但它们通常缺乏全面的多物理场集成，难以完全揭示辐射的应力介导机制。为了全面评估ME天线的性能，开发基于应力/应变的辐射模型尤为重要。在这方面，杜等人[11]、李等人[36]和多曼等人[37]通过建立近场解析模型、引入正弦应力假设进行辐射场分析，并利用哈密顿原理揭示了机械共振增强效应，取得了进展。然而，这些模型未能充分考虑实际的应力分布和非线性磁机械耦合效应。为了更准确地反映实际工作条件，最近在非线性多物理场耦合建模方面的进展显著[[38], [39], [40]]。这些模型系统地揭示了外部条件（如偏置场和机械预应力）如何通过影响材料的非线性本构关系来调节天线辐射性能，为实际应用中的性能优化提供了关键的理论基础和设计指导。
在性能优化方面，当前研究主要集中在以下方向：增强磁电耦合强度、改善辐射性能、调节工作频率和扩展带宽。增强磁电效应的策略包括优化结构尺寸和材料参数[41]、引入悬臂和额外的磁体结构[[42], [43], [44], [45]]、抑制辐射损耗[[46], [47], [48], [49]]以及采用直接天线调制技术[50]。这些方法有效提高了能量转换效率或调制速率。在频率调节和带宽扩展方面，出现了多种技术途径。Butscher和Gather[51]通过计算形状优化降低了ME换能器的共振频率。张等人[52]设计了串联-并联单元和多共振区融合技术作为扩展带宽的有效方法。基于等效电路[53]或结构-电路耦合[54]的模型为电路设计层面的频率调节和性能预测提供了新的视角。此外，通过固体安装的谐振器[55,56]或阵列设计[57,58]来提高辐射性能和带宽已被广泛验证。具体来说，罗等人[59]和张等人[60]利用天线阵列提高了增益和传输距离；余等人[61]和李等人[62]通过串联/并联单元连接有效扩展了频率响应；而潘等人[63]发现电极阵列可以改善整体磁电响应。为了解决阵列仿真的高计算复杂性，史等人[64]提出了一种结合多物理场耦合和等效电路的快速预测模型，为阵列优化提供了高效工具。然而，大多数当前的优化策略针对单一性能指标（如效率、带宽或频率），往往导致磁电效应和带宽之间的权衡，未能系统地解决高Q因子和宽带宽之间的内在冲突。从系统集成[65], [66], [67]和机器学习辅助设计[68], [69], [70]等角度进行的额外优化方法进一步丰富了该领域的研究维度。
近年来，基于非线性磁力设计的多稳态压电能量收集器[[71], [72], [73], [74]]由于其独特的动态特性而受到了广泛关注。例如，引入了双稳态[75,76]、三稳态甚至五稳态[[77], [78], [79], [80]]以及非线性磁负刚度[81]等机制，有效提高了振动能量收集效率和带宽。这些工作中的非线性动力学设计和优化策略对面临类似带宽限制挑战的ME天线设计具有重要的参考和启发价值。然而，ME天线和压电能量收集器在核心目标和物理性质上存在根本区别。压电能量收集器的目标是高效捕获环境振动能量，设计重点在于最大化机械能到电能的转换。相比之下，ME天线的核心目标是实现高效的微型化电磁波辐射，性能取决于辐射场的强度和质量。这种区别导致了不同的设计约束（前者受振动源限制，后者受辐射效率和阻抗匹配限制）和操作原理（能量收集器关注机电转换，而天线依赖于偏置磁场下的应力调制非线性磁化过程和动态响应）。因此，尽管多稳态压电能量收集器的设计概念很有启发性，但其模型不能直接指导ME天线的设计和仿真。ME天线的性能优化迫切需要建立一个新的专用建模框架，该框架必须深入整合两个关键物理维度：非线性偏置磁场效应和动态磁耦合机制。
为此，本文提出了一种磁驱动的多稳态ME天线，通过引入非线性磁排斥力协同拓宽了共振带宽并增强了磁电效应。开发了一个整合非线性磁力、偏置磁耦合和辐射分析的多物理场模型，并通过实验验证了天线的性能优势。本研究的目标是：（1）提出一种磁驱动的多稳态结构，以协同优化天线带宽和效率；（2）建立包含动态磁力耦合和非线性磁化效应的多场耦合模型，解决传统ME天线设计理论方法的不足；（3）通过结合实验和仿真研究系统揭示磁力影响天线共振和性能的机制。本文结构如下：第2节详细介绍了多稳态ME天线的理论设计，包括其结构、工作原理、非线性磁力计算以及多物理场耦合模型的建立。第3节描述了实验测试过程和性能验证。第4节分析了实验结果，验证了仿真模型的准确性，并讨论了非线性磁力、磁体间距、偏置磁场和压电层厚度等参数对天线性能的影响。最后总结了研究的主要结论。
