耦合带磁电可调滤波器的等效电路建模及器件设计

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多铁性磁电层合材料基于磁致伸缩相的铁磁共振效应和压电相的电致伸缩效应,可以实现外加磁场大范围调节铁氧体的铁磁共振频率和外加电场小范围内精确调节铁磁共振频率。将磁电层合材料与传统的微波器件相结合,可以实现磁电双可调的微波器件如磁电可调滤波器、谐振器、移相器、延迟线等。这种新型磁电双可调微波器件具有体积小,功耗小,调节速度快的优点。磁电多铁性材料因其在新型多功能磁电器件和设备应用中的优越性,引起了研究人员的极大兴趣,使其成为近些年研究的新兴方向。虽然在微波磁电层合材料的制作工艺,磁电耦合机理,以及其在磁电可调微波器件中的应用等方面有了许多研究,仍有以下问题值得探讨:首先,如何根据用户需求设计灵活性高,复杂性高的微波器件成为了一个有待解决的重要问题。其次,在微波器件的设计中,由于磁电层合材料的薄膜制作工艺复杂,造价较贵,为了降低实验成本、确定磁电层合材料和器件尺寸,这都需要对器件开展仿真。然而,普遍的电磁场仿真计算量繁重而且耗时冗长,这就需要一种新的分析方法,可以快速的对器件性能预判评估和优化,预测磁电双可调微波器件的磁,电可调谐振特性。针对以上问题,本文开展以下工作:首先,本文基于铁磁共振机理和磁电耦合效应,考虑压电层的影响,引入磁电层合材料与耦合微带线之间的耦合因子,分别针对由单块磁电层合材料与两条耦合带构成的磁电可调带通滤波器,建立了集总等效电路模型。使用该集总等效电路模型分析磁电双可调滤波器中电、磁双重调节铁磁共振频率漂移现象,其结果与实验结果和电磁场仿真结果相比,在定性上还是定量上都具有较好的一致性,从而验证了该集总等效电路的有效性。在此基础上,通过该集总等效电路,预测和分析了外加电场,层合材料尺寸,微带线尺寸,微带线与层合材料间的距离对滤波器性能的影响。其次,在基于单块磁电层合材料的磁电双可调带通滤波器集总等效电路的基础上,构建了基于多块磁电层合材料的磁电双可调带通滤波器和磁电双可调多通带滤波器的集总等效电路。选取基于两块磁电层合材料的滤波器作为研究对象,通过该集总等效电路预测和分析了滤波器的通带特性,并通过与电磁仿真结果相比较验证了该集总等效电路的有效性。并基于该集总等效电路分析了滤波器通带频率,通带带宽的磁,电双可调特性。此外,基于磁电耦合效应和铁磁共振效应,通过将磁电层合材料与普通的耦合微带线滤波器相结合设计了一款应用于2-10GHz频段的磁电双可调双通带滤波器。通过HFSS仿真平台进行对其性能进行预测分析,结果表明滤波器通带性能良好,带外抑制大。该滤波器与传统带通滤波器相比,大大提高器件的灵活性,同时具有小,高效率,低能耗等优点,因此具有良好的应用前景。
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