体声波天线的损耗机理研究

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现代通信技术的快速发展对天线尺寸、效率等指标提出了越来越高的要求。传统天线的尺寸一直受到电磁波波长的束缚。体声波(BAW)天线以声谐振代替电磁波谐振,为天线小型化乃至微型化提供了解决思路。然而天线辐射效率和工作带宽会受到Chu-Harrington极限的限制,提高天线工作的效率的有效方法就是减少损耗。本文深入研究了BAW天线的损耗机理,分析了磁损耗、介电损耗、机械损耗三种损耗的产生原因。从电磁场辐射和等效电路两方面着手对BAW天线损耗进行解析建模与分析,优化天线设计,使其能满足可植入医疗器械、无线通信等系统中对超小型天线的需求。主要的研究工作如下:构建了基于时域有限差分法的应力源辐射模型,提出利用应力作为天线的等效辐射源去分析天线的辐射功率与能量。从电磁场辐射的角度,重点探讨了BAW天线的典型高频损耗——涡流损耗,基于麦克斯韦方程组中两个旋度方程和磁致伸缩层的本构关系,构建了涡流损耗模型。分析了涡流损耗对磁性薄膜总能量和平均辐射功率的影响。定义了涡流损耗因子来描述涡流对天线性能的影响规律。为抑制涡流损耗提供了理论依据。构建了BAW天线的等效电路模型,引入了介电损耗、磁损耗和机械损耗三种主要损耗机制。利用介电常数、磁导率和刚度的复数形式,引入了损耗因子以准确地分析BAW天线的耦合性能。利用先进设计系统(ADS)得到了压电/压磁两相的谐振特性曲线,与有限元仿真结果一致,初步验证了等效电路模型的可靠性。利用基尔霍夫电流定律计算了磁电电压增益,得到了BAW天线中压电相和压磁相最佳厚度比为1的结论。为了有助于工程师在系统开发中对BAW天线进行阻抗匹配,还计算了输入/输出阻抗,与ADS仿真结果基本一致。利用多铁性材料Terfenol-D和PZT制备了低频BAW天线样机,测试了天线样机的阻抗特性曲线,与ADS仿真相对比,结果的一致性验证了等效电路模型的有效性。同时制备了五组不同厚度比的BAW天线样机,实验结果表明,压磁相和压电相的厚度比在1:1左右时,BAW天线内部能量转换效率最高。这为BAW天线设计提供了理论支撑。
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