体声波磁电天线的研究与设计

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为了满足5G通信时代对射频前端更高的要求,对天线的小型化、高效化、集成化要求越来越高。亟需寻找一种尺寸可微缩、辐射效率高的可替代天线。机械天线从辐射激励上克服了传统天线因传导电流造成的效率低、损耗大、阻抗难匹配的问题。体声波磁电(BAW ME)天线属于机械天线中的一类,利用体声波谐振原理,可工作在GHz频段,已引起了国内外著名高校的广泛关注。目前对于体声波磁电天线的认知还处于起步阶段,虽有望实现对传统天线的取代,但是需要在理论研究方面尚未取得重大突破。本文旨在对器件的结构设计、电学损耗以及辐射特性进行详细研究,主要工作内容分为三部分。本文首先利用声波谐振原理,构建了体声波磁电天线沿振动方向的一维解析模型。将麦克斯韦方程引入到材料的本构方程,并利用天线的势能、辐射功率和Q值的计算公式,分别求解了2-6层复合堆叠结构体声波磁电天线的上述参数。经过对解析结果的数学归一化处理后,得出了三层复合堆叠结构性能最优的结论。进一步利用多物理场仿真对不同结构的体声波磁电天线内部磁致伸缩层的应力场模拟,发现三层结构的应力场最大。其次,对体声波磁电天线的辐射区(磁致伸缩层)中的电学损耗进行研究分析。由于磁致伸缩层一般使用是含铁的金属磁性材料,具有高的电导率,当器件在高频磁场下工作时,会造成器件产生大的热损耗,降低辐射性能。将全电流定律与压磁本构方程相结合,研究了电导率对磁致伸缩层中势能和平均辐射功率的损耗作用关系。为了提升器件的性能,提出了利用在磁致伸缩层中插入Al N绝缘层的方法来打断涡流环,达到抑制涡流损耗的目的。仿真表明均匀插入三层5 nm厚的Al N绝缘层可以实现对体涡流的抑制,抑制率可达85.2%。最后,对体声波磁电天线的辐射性能进行理论建模,利用压电层的压电效应和磁致伸缩层的压磁效应求解电流源和磁流源,构建近场/远场条件下的电磁场方程。利用多物理场仿真软件模拟体声波磁电天线中压电层和磁致伸缩层的应力场数值,然后代入理论模型进行计算。工作在1 GHz,横向尺寸为100m,纵向尺寸为3.36m的体声波磁电天线的辐射功率为0.027 W,效率为2.7%,方向性系数为1.73,增益为-13 d B。最后分别讨论了器件厚度和面积对器件工作频点和内部应力场的影响关系,仿真结果说明不能通过无限增大器件的工作面积来实现增益的大幅提升。
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