多铁材料多场耦合理论及在微波滤波器中的应用

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多铁性材料是指具有两种以及两种以上铁的基本性能的材料,其在现代电子器件小型化,多功能化的发展方向中有着广阔的应用前景。其中,层合复合磁电多铁材料由于其较强的磁电转换特性使其在磁电传感器以及磁电可调微波器件中有着巨大的应用价值。对于层合复合磁电多铁材料的多场耦合理论的研究,能为设计包含磁电复合材料的器件提供更多的理论依据,减少设计人员的工作量。本文首先采用非线性磁致伸缩本构模型,利用弹性力学法建立了层合复合磁电材料中磁-力-电多场耦合效应的数值分析模型。该模型预测的磁电系数曲线与已有实验结果对比显示,在定性上和定量上都与实验结果有较好的一致性,从而验证了本文建立的数值分析模型的正确性。在此基础上,本文对磁电层合结构中磁致伸缩材料所占体积比、饱和磁化强度以及不同压电相材料、层合结构几何形状对磁电转换特性的影响进行了理论预测和分析,为工业上制备具有更好磁电转换性能的磁电器件提供了理论依据。之后为了研究以磁电层合复合机构为基底的微带结构磁调和电调机理,首先推导了退磁、部分磁化和完全磁化三种不同状态下铁氧体基底微带结构的有效磁导率以及特性阻抗的计算公式。并将计算得到的结果与文献实验结果以及HFSS软件的仿真结果进行比较,发现有很好的一致性,验证了公式的正确性,并进一步解释了铁氧体基底微带谐振器的磁可调机理。之后,通过磁电层合复合结构的磁电电场系数把电场转换成磁场,对以铁氧体/压电层合复合材料为基底的微带谐振器进行了电调测试,证明了等效电调的可行性。对此类微带结构磁调和电调机理的理论研究,为设计以磁电层合复合结构为基底的微带结构器件起到了一定的指导作用。最后,在证明了铁氧体基底微带结构的有效磁导率以及特性阻抗计算公式的正确性,以及磁电层合材料等效电调的可行性之后,我们设计了种应用于5GHz频段的磁电双可调带通微波滤波器,并对设计的滤波器进行了磁调和电调的软件仿真。结果表明该滤波器在外加450Oe的垂直磁场之后可应用于基于802.11a标准的WLAN收发系统中。该微带滤波器以磁电层合材料为基底,实现磁电双可调的功能,同时具有体积小、效率高、能耗低、噪音低等特点,因此在微波通信领域具有良好的应用前景。
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