铁氧体/压电变压器无源磁电功率分割器件的构筑及其特性研究

作     者：乔寒 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张吉涛

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：磁电功率分割器 磁电复合异质结构 Rosen型压电陶瓷变压器 镍锌铁氧体 

摘      要：功率分割器因其具有非互易性、宽带性、相位平衡性等特性在无线电通信系统、雷达系统、卫星通信系统、测试和测量设备等领域有广泛应用,尤其是在射频频段范围内(620 MHz-4.6 GHz)完成功率信号的分配与稳定传输。传统功率分割技术主要包括集成电路功分器、带有反馈电路的功分器和集束功分器等,然而这些尝试大多数都是通过引入集总分立元件和有源反馈电路来达到提升端口隔离度及拓展宽带的目的,有源元件可拓展性差、不利于功分器微型化集成,因而难以消除因供电问题和电磁干扰所带来的不利影响。鉴于上述,本文以NiZnFeO/Rosen型压电变压器磁电复合结构为研究对象,在其外围密绕线圈构成六线-三端口无源磁电功率分割器件,围绕磁电材料的应变传输、功率分割器件双端口阻抗以及输出功率比展开研究,主要涵盖下述主要研究内容:(1)研究Rosen型压电变压器本征阻抗响应及铁氧体材料的动态磁-机转化特性,摸索具有高隔离度的磁电分割器件的构成策略。(2)设计搭建基于Lab VIEW的磁电自动化测试系统,测量磁电复合样片的磁电响应。(3)进一步探究外加负载对器件各端口输出功率以及功率分割比的影响。结果表明:(1)借助阻抗分析仪测得在51 k Hz和103 k Hz的谐振频率处,压电变压器两个端口阻抗相差较大(分别76.40 kΩ、42.47 kΩ和46.97 MΩ、146.63 MΩ),且在同一谐振频率处,两个端口的阻抗差相差大约三个数量级,同时,借助非接触光学测量系统测得铁氧体材料在谐振频率81.82 k Hz处动态磁致伸缩系数最大为17.55 ppm/Oe,表明压电变压器的阻抗差异和铁氧体材料的高磁机转换能力更有助于器件在低频处获得较高隔离度和转换效率;(2)通过搭建磁电自动化测试系统平台测得磁电复合样片两个端口磁电电压系数在最优磁场H=292 Oe最大值138.9 m V/cm Oe,在最优磁场H=322 Oe最大值为175.2 m V/cm Oe,为提高磁电功率分割器的传输效率提供了明确的指导意义;(3)设计搭建磁电功率分割器输出信号测试系统,测得在第一谐振f=60.21k Hz激励下(P=1.85μW),其功率分配比在两个输出端口最优负载(R=6 kΩ、R=30 kΩ)下达到3:1。同样,在第二谐振f=120.33 k Hz(P=5.22μW)处,其功率分配比在最优负载(R=5.5 kΩ、R=12 kΩ)下达到3:1。因此,相关研究的进展不仅为磁电功能材料在固态功率电子转换器件的设计提供了新的思路,而且也多通道LCD串的供电和控制等等领域有潜在应用价值。