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体声波谐振磁电天线的材料、结构和性能一体化设计与优化

体声波谐振磁电天线的材料、结构和性能一体化设计与优化

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作者：张璐璐西安电子科技大学

学位级别：硕士

传统天线小型化设计面临三个原理性难题:尺寸微缩难(大于?/10)、阻抗匹配难(镜像电流反射)、辐射效率低(电流欧姆损耗),其根源在于传统小型化天线基于电磁谐振的工作机理,天线的性能仍然受到Chu-Harrington极限限制。磁电天线概念的提出... 详细信息

传统天线小型化设计面临三个原理性难题:尺寸微缩难(大于?/10)、阻抗匹配难(镜像电流反射)、辐射效率低(电流欧姆损耗),其根源在于传统小型化天线基于电磁谐振的工作机理,天线的性能仍然受到Chu-Harrington极限限制。磁电天线概念的提出,为天线小型化设计提出了一种全新的解决方案。磁电天线由压电材料与磁致伸缩材料组成,磁性材料可感应电磁波的磁场分量并转化为声学波,以电压形式输出;反过来,压电材料在电压驱动下发生应变,传递至磁性材料并激励其发生磁化振荡,辐射电磁波。磁电天线的激励声波有声表面波和体声波两种,本文旨在详细研究体声波磁电天线的材料、结构和性能的一体化设计,对其所提的设计方案进行仿真分析验证及进一步优化天线性能,具体内容如下:1、提出了体声波谐振磁电天线的材料、结构和性能一体化设计方案。首先依据材料特性选择合适的材料。然后结合材料、辐射性能、磁电耦合强度、天线机械强度与加工精度等因素,从磁电天线的一维解析模型出发,将天线设计为基于体声波谐振的两层2-2型磁电结构。最后建立了磁电天线的Mason等效电路模型,依据设计频率与阻抗匹配确定了天线的几何尺寸。2、建立了磁电天线的有限元模型,对天线的设计方案进行了分析与仿真验证。首先分析了磁电天线的谐振特性,研究了天线各结构参数对其声学谐振性能的影响,设计了凸边框电极结构和不规则四边形电极形状以抑制寄生谐振。然后对磁电天线接收电磁波时的磁电耦合效应进行了仿真分析,仿真结果表明天线在谐振频率附近输出电压最大,且输出电压随外加偏置磁场的增大而增大。最后对磁电天线进行了电磁特性仿真分析,得到的天线辐射方向图与偶极天线的方向图类似。3、提出了两种磁电天线多频段的设计方法。第一种利用磁电天线的多模态声学谐振,设计优化磁电天线的宽度和厚度,使矩形磁电天线工作在任意两个不同的频段内;第二种方法通过将工作在不同频率下的多个磁电天线单元并联阵列集成于一体,可使磁电天线阵列在多个频段内进行工作。4、提出了磁电天线带宽拓宽机制。将工作于串联谐振频率附近的具有0.6 MHz频差的三个磁电天线单元并联,整体天线阵列的带宽较单个天线的带宽提高了四倍多,且随着并联阵列单元数量的增多,天线带宽不断提高。同样的,对于工作于并联谐振频率附近的磁电天线,将多个具有一定频差的天线单元串联来使天线的并联谐振峰位叠加从而提高天线的带宽。然后通过仿真分析得出天线的带宽与其机电耦合系数呈正相关。最后提出了一种具有大机电耦合系数的磁电天线结构,并仿真分析了各个参数对天线机电耦合系数的影响。

关键词：天线小型化多物理场耦合天线多频段声波谐振器天线宽带化

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基于体声波谐振的磁电天线及其宽带化研究

基于体声波谐振的磁电天线及其宽带化研究

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作者：孙振远西安电子科技大学

学位级别：硕士

特高频（UHF,300-3000MHz）电磁波通讯广泛应用于可穿戴和无线植入式医疗设备中。天线作为整个通讯系统的重要组成部分,针对穿戴与植入需求,存在体积过大、难以集成等问题,而传统天线小型化设计又会带来增益低、阻抗匹配难等技术挑战,... 详细信息

特高频（UHF,300-3000MHz）电磁波通讯广泛应用于可穿戴和无线植入式医疗设备中。天线作为整个通讯系统的重要组成部分,针对穿戴与植入需求,存在体积过大、难以集成等问题,而传统天线小型化设计又会带来增益低、阻抗匹配难等技术挑战,严重制约了智能可穿戴与微创植入等行业的发展。因此,研制新型辐射机理的小型化天线具有重要工程应用价值与学术研究意义。本文以基于体声波谐振的磁电天线为研究对象进行了系统的研究工作,具体内容如下:1、基于体声波谐振的磁电天线总体设计方案研究根据特高频通讯的技术需求与磁电天线的工作原理,完成了磁电天线的结构设计,分析了不同材料对磁电天线性能的影响,推导了磁电天线的Mason等效电路模型,建立了磁电天线各部分的材料模型库,并且通过仿真天线的电学阻抗特性优化了结构参数,研究表明调整电极的面积可以进行阻抗匹配,解决了传统电小天线阻抗匹配难的问题。2、基于体声波谐振的磁电天线机理研究针对磁电天线基础理论尚不完善,缺乏完整的建模分析方法等问题,建立了磁电天线理论模型,通过仿真分析研究了磁电天线的工作机理。首先研究了磁电天线在接收过程中的磁电耦合效应,验证了射频磁场与体声波之间的耦合;然后研究了在辐射过程中基于体声波工作的声学谐振特性,分析了损耗及结构参数对磁电天线性能的影响;最后通过表面等效原理研究了磁电天线的辐射特性,结果表明磁电天线可等效为偶极子。3、磁电天线的样机加工测试和宽带化研究首先针对磁电天线加工良品率低的问题,优化了工艺流程,使用磁控溅射方法制备出了天线样件,然后搭建了多场测试平台并进行了系统的测试和性能评估,最后针对磁电天线带宽窄的问题进行了宽带化研究。测试结果表明磁电天线辐射信号来自于声波谐振频率下的磁电耦合,证明了磁电天线的互易性,验证了其方向图近似于偶极子。进一步计算天线的增益为-15.8dB,在同等频率下尺寸可缩小两个数量级。

关键词：天线小型化天线宽带化薄膜体声波谐振器（FBAR）磁电异质结构多物理场耦合

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M所天线技术发展战略研究

M所天线技术发展战略研究

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作者：邹火儿西安电子科技大学

学位级别：硕士

中国电子科技集团（CETC）第M研究所（简称M所）为我国重点军工企业,工作重点为军用、民用卫星通信、侦察与遥感测控系统及其天线的研发与制造。随着通信信息一体化大系统技术的需求日益迫切,一体化大系统对天线质量和一体化设计技术均... 详细信息

中国电子科技集团（CETC）第M研究所（简称M所）为我国重点军工企业,工作重点为军用、民用卫星通信、侦察与遥感测控系统及其天线的研发与制造。随着通信信息一体化大系统技术的需求日益迫切,一体化大系统对天线质量和一体化设计技术均有较高的要求。与此同时,数字化、有源化的天线需求随着时代大潮,已初步应用于各大卫星通信、侦察系统中。本所天线专业也从传统抛物面天线设计、生产和管理方式向新型方式转变。但是,这种转变是粗放、浅显的。为了提高竞争力,必须结合外部环境因素和自身资源情况,按照天线专业的实际需求以及所里的愿景和目标,选择出最适合自身发展的一种战略或战略组合,从而迅速、有效地提高生产力,生产出高质量、高水平、低成本的天线产品。本文分析了国内外天线技术发展状况,将其作为M所天线技术发展战略的外部环境,充分调研了M所天线技术发展情况,分析了M所天线技术发展管理现状,在战略管理和天线技术发展管理基本理论的指导下,提出了“组织统一集中管理,天线发展小型化、宽带化、数字化、有源化和产品化发展,建立新型的组织结构、建立薪酬体系措施和人力资源改革措施”的天线技术发展战略。在天线发展战略实施的对策中,以小型化、宽带化、有源化、数字化、产品化为重点,以天线射频集成化设计技术为整体架构,充分发挥M所多专业融合升级,全面提高M所天线专业的竞争力,充分满足国内外天线市场大环境下的需求。针对M所实际的天线技术发展管理体系,提出M所天线技术管理机构的职责与结构,力求精简有效,确保M所天线技术发展管理能够高效运作,不因管理机构设置的不足而无法有效沟通、出现冗员拖累生产的情况。分析M所对天线技术的优秀人才需求,建立科学、优越的人才队伍激励方案;针对M所天线技术发展的战略目标和选择,对天线技术研发人员进行团队建设,组织参加相关培训,确保天线技术研发人员均具有M所需要的基本素质;建立天线技术研发人员薪酬政策,激励天线研发人员努力提高天线技术水平,对单位发展有长远的影响;建立合理的激励方案,因岗位、人员而异,促进员工自我提升,提高员工对M所的认同感和归属感。本文研究的天线技术发展战略方案将会应用于M所的天线技术发展战略管理中,该方案将会提高M所天线技术发展水平和天线产品质量,将会提高M所天线产品的市场竞争力,满足M所的天线技术发展战略需求。

关键词：天线技术技术发展战略天线小型化天线宽带化天线有源化

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