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采用铁氧体/压电变压器的高效低频磁电功率分割器件构筑及特性研究

采用铁氧体/压电变压器的高效低频磁电功率分割器件构筑及特性研究

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作者：杜金波郑州轻工业大学

学位级别：硕士

功率分割器因其无源、宽频带特性、相位平衡等特性常被应用于天线阵列的馈电网络、射频前端和波束形成网络以及固态放大器的输入/输出网络。传统的低频功率分割技术由线圈、二极管、降压-升压变换器、逆向变换器、开关电容变化器等结构... 详细信息

功率分割器因其无源、宽频带特性、相位平衡等特性常被应用于天线阵列的馈电网络、射频前端和波束形成网络以及固态放大器的输入/输出网络。传统的低频功率分割技术由线圈、二极管、降压-升压变换器、逆向变换器、开关电容变化器等结构设计,被用于音频放大器、汽车电力管理和水下通信设备、医疗设备等高渗透率、需要电压分配的应用场合而受到关注。然而,传统低频功率分割技术仍存在下述挑战:（1）影响功率分割比的理论分析尚不明确;（2）受限于集中元器件拓扑结构或铁芯的约束从而导致更大的体积和更复杂的驱动电路设计;（3）缺少对能量流向的定量分析,限制了进一步提高能量转换效率的可能性。鉴于上述,本文以Ni0.8Zn0.2Fe2O4+0.3wt.%MnCO3与压电变压器层合异质结构为主要研究对象,围绕磁-机-电耦合响应、功率分割比的理论分析和验证以及能量溯源展开研究,主要研究内容涵盖下述几点:（1）借助压磁/压电本构方程,拟构建功率分割器件的理论模型用于描述功率分割比,并探究影响分割比的关键参数,揭示了层压复合材料的柔顺系数、压电常数和机电耦合系数与分割比的密切关系,从而指导器件的后续设计和优化;（2）制作并封装由镍锌铁氧体和Rosen型压电变压器层压板构筑的磁电功率分割器,并测试封装外壳所引入的寄生电容以及器件的耐压水平。结果表明,封装器件中相对较高的绝缘电压（2.35k V）,保证了较好的电气隔离度。测得共振时输出两端口之间引入的最大电容值是8p F,输入到输出端口为23p F,该量级的电容响应基本不影响核心换能样片磁-机-电转换的稳定性;（3）采用光学多普勒测量方法追溯样片的层间能量损耗,定量分析谐振状态下层间机械损耗,揭示了样片的谐振磁电响应与端面振动速度呈现出相同趋势的变化规律,表明速度所映射的振动动能可用于预测并追溯样片动态磁-机-电中的能量损耗源头。通过对研究得到在双层结构中机械能耗散为64.5%,而三层结构的机械能量损失能够降低至22.7%,揭示了作为制动层铁氧体材料的增加将更有利用层间机械损耗的折中,从而为进一步提高磁-机转换过程中的转换效率（PE）提供了可能;（4）构筑三种不同厚度的磁电功率分割器,探索功率分割比随厚度比（np）的变化规律,。结果表明,功率分割比随厚度比np呈现缓慢增加的趋势。在当定制样品的厚度比为np=0.412时,在负载分别为1kΩ和13kΩ端口I和端口II的最大PE值分别可达到34.45%和35.87%,且此时测得的功率分割比约为1.03:1,与理论预测值吻合良好,同时验证了支撑理论的匹配性和准确性。此外,当输入功率密度从0.075m W/cm3增至0.75m W/cm3,器件各端口呈现了平稳的输出响应;（5）拟搭建一套集成磁电功率分割器、分布式低频机械天线传输系统,研究磁电功率分割器件在低频实际应用场景下的阻抗匹配和高效功率分割/转化能力,所研制的低频功率分割器集成于双通道分布式低频通信系统中,用于两个分布式发射低频磁电天线的独立激励和管理,在输入功率为3.57m W的条件下,两个典型机械天线的负载分别为12.3kΩ和10.8kΩ,实现20bps幅移键控（ASK）调制信号的独立传输和125cm距离下有效辐射,为分布式低频高渗透率长波通信系统的构建提供了灵活性的解决方案。因此,该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详细的理论分析,同时通过对器件的能量溯源,进一步提高了磁电功率器件的转换效率,此外,也为双通道分布式低频通信系统等领域有潜在的指导意义。

关键词：磁电器件功率分割器尖晶石铁氧体压电变压器

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