非互易性可调微波器件的集总等效电路建模及器件设计

作     者：张秋实 

作者单位：中国计量学院 

学位级别：硕士

导师姓名：周浩淼

授予年度：2016年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：非互易性 磁电可调微波滤波器 集总等效电路 色散关系 

摘      要：将磁电层合材料与微波器件相结合可以实现磁电双可调微波器件,通过铁磁共振效应以及磁电效应可以有效实现器件频段的调节特性,具有低损耗,效率高、调节速度快等特点。同时,由于铁氧体本身所具有的磁各向异性等特性,又广泛应用于非互易性微波器件上面,例如铁氧体移相器、隔离器、环形器等,实现了微波器件的多功能性。具有高性能多功能的非互易可调器件在未来电子战系统、无线通信系统等领域具有巨大的应用前景。在对非互易性微波器件进行设计时,往往利用传统的电磁场仿真以及实物制作的办法进行设计,一旦制作成功性能就会固定。现有的非互易性器件功能比较单一,工作频段往往不能进行调节。同时由于引入了磁电层合材料,在设计仿真的过程中往往耗时较长,效率较低。为了提高设计的效率,有学者将磁电层合材料与微波传输系统的耦合传输机理进行分析,将物理模型等效为一个集总电路模型,有效的预测了器件的性能,大大减少了仿真设计所用的时间。尽管对于磁电器件的集总等效电路已经有过研究,但这些研究仅仅是针对对称结构的互易性二端口滤波器以及单端口谐振器等器件,对于非互易性的二端口可调器件的集总等效电路还处于空白阶段。针对上述问题,本文主要做了一下研究:首先,针对具有磁电双层结构的微波传输系统,根据静磁波在材料上的传播机理,利用Maxwell方程分别对铁磁体器件以及铁电体器件本征模的本征频率进行求解。当铁磁相和铁电相均工作于最低次模时,两者发生最大的耦合作用,得到双层结构的色散关系的具体表达式。同时对铁电体材料进行弹性吉布斯自由能展开,得到了微波频率下的铁电相介电常数理论表达式。最后将该介电常数公式代入到新的色散关系里,便可得到最终的静磁波在双层磁电材料上传输的色散关系。之后,将该新的色散关系利用到磁电器件的集总等效电路当中,验证了该双层色散方程的有效性。之后,针对磁电可调非互易性带通滤波器,基于磁电层合材料的逆磁电效应,考虑压电层电调等效因子的影响,引入辐射阻抗,辐射电容,辐射电感以及耦合电感等来表示互易性耦合带部分电路,同时引入带有受控源CCVS的T型等效电路来对滤波器模型的非互易传输特性进行表示。由此建立起了基于非互易性磁电可调带通滤波器的集总等效电路模型。将偏转角度为0度与45度时的集总电路预测结果与实验结果相比较进而验证了该模型的有效性。之后利用该集总等效电路模型,通过改变压电相上面的电压来对该模型的电可调特性进行预测,并与电磁场仿真结果相比较从而进一步验证了该模型的有效性。最后,改变铁氧体板的厚度以及耦合微带线的宽度对滤波器的性能影响进行了理论性的预测。最后:首先根据铁氧体的各向异性特性,结合铁氧体矩形波导隔离器的设计原理,将铁氧体材料用于基片集成波导中,设计了一个基于铁氧体基底的半模基片集成波导隔离器。该器件实现了非互易性隔离特性,有效减小了普通集成波导的尺寸,同时改变施加的外部磁场还实现了频段可调节特性,在微波通信行业具有较大的应用潜力。其次,利用左右手圆极化波在铁氧体中非互易的传输特性,将磁电层合材料放置在周期性锯齿型结构微带传输线上,实现了一个磁电可调双端口隔离器,不但实现了较好的隔离特性,而且实现了工作频段的磁电双可调。上述两种非互易器件对设计者在实现非互易器件上面提供了新的思路。