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基于磁电效应的磁电器件等效电路研究与微波器件设计

李超  
【摘要】:多铁性磁电材料因其高效的磁电转换性能(即材料在磁场的作用下产生电极化或在电场的作用下产生磁极化的现象),在低频及射频领域展现了巨大的应用价值。其中,在低频领域,多铁性磁电材料以换能器、传感器等器件形式,实现了磁场与电场的相互转换,在微弱磁场测量等方面有着重要的地位。目前国际上的主要工作集中在器件的制备及通过磁电材料匹配加强磁电效应等,相应的理论研究(包括格林函数法、等效电路法等)实现了对器件的定性、定量评估,但还存在改进的需要;在射频领域,应用多铁性磁电材料的磁电效应及铁磁相材料的铁磁共振效应,可实现器件的磁、电双重调节特性,因此被广泛地使用于微波谐振器、滤波器、移相器、延迟线等器件,目前国际上的主要工作集中在实验测试、新器件试验、等效电调等方向;此外,针对磁电双可调微波器件的集总等效电路的研究尚处于空白阶段。 同时,仍存在以下问题值得探讨:如何实现对磁电层合材料的谐振磁电特性、偏置磁场依赖特性等重要性能的精确分析和理论预测,减少实验成本;提出一种新的分析方法,实现对磁电可调微波器件的快速仿真和性能预测,从而减少实验成本;使用快速分析的方法,实现对磁电可调微波器件的性能分析及结构尺寸的优化设计;实现磁电可调微波器件的多功能化、新形式化。 针对以上问题,本文开展以下工作: 首先,在低频领域,本文使用等效电路法,开展磁电层合材料的磁电性能研究。工作包括两方面:推导磁电层合材料谐振磁电系数的显式表述,并与实验结果及已有公式进行比较验证其有效性,预测了相关磁电性能;推导了用于分析磁电层合材料的偏置磁场依赖特性的新型显式表达式,并与实验结果进行比较,验证其有效性,预测磁电层合材料的偏置磁场依赖特性。 其次,在射频领域,本文首次提出了使用集总等效电路模型快速分析磁电可调微波器件性能的方法。推导建立了两个磁电可调微波器件的集总等效电路模型。工作包括两方面:建立了磁电双可调带阻滤波器的集总等效电路模型,验证其有效性并着重分析了电场调节其铁磁共振频率漂移的现象;建立了磁电双可调谐振器的集总等效电路模型,验证其有效性,并分析了电场调节其铁磁共振频率漂移的现象。 其次,在本文第三章的基础上,本文首次使用集总等效电路模型,结合铁磁共振效应,对磁电可调微波器件进行性能与结构尺寸优化分析。其中包括:研究外加电场及磁电层合结构的几何尺寸对磁电双可调带阻滤波器的影响;研究外加电场及微带、基底结构的几何尺寸对磁电双可调谐振器的影响。 最后,在本文第四章的基础上,作者在阶跃阻抗低通滤波器之上添加磁电层合材料,基于铁磁共振效应,设计了一款实用型的TD-SCDMA频段的磁电可调双通带滤波器,该滤波器能同时传输TD-SCDMA的A与B频段信号,并实现对WCDMA和CDMA2000的两个上行信号的隔离。完成设计并对器件性能进行分析讨论。相比较于已有的单导带或双导带磁电微波器件,该滤波器设计是磁电微波器件多功能化、新形式化的一种表现。


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