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[硕士论文] 朱金龙
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:双盘异步磁力耦合器是一种以电磁感应原理为基础的新型永磁传动装置,不仅具有柔性启动、无摩擦和对中性要求低等优点,更重要的是它可以根据实际工况条件调节永磁体盘与导体转子盘之间的气隙进而达到所需的输出转速与转矩,因此其调速装置在整个磁力耦合器传动过程中起到尤为重要的作用。
  本文介绍了磁力耦合器的研究现状及意义,分析了调速装置对磁力耦合器调速的重要性,通过与传统的磁力耦合器调速机构进行对比,提出了更具优势的双盘异步磁力耦合器连杆调速装置。
  以双盘异步磁力耦合器的基本结构为基础,详细阐述了其工作原理和调速机理;基于平面连杆机构,设计出一种新型双盘磁力耦合器调速装置,磁力耦合器调速装置的运动精度可以直接决定其输出转速与转矩的调节精度;利用复数矢量法对调速机构进行了运动分析,推导出了其运动方程,利用Matlab绘制出相应的特性曲线图,更加直观的反映出了调速机构的运行状况;利用Adams仿真软件,对该调速机构进一步辅助分析验证,保证了调速装置的准确性及稳定性。
  对双盘异步磁力耦合器调速装置中的丝杠进行理论分析,利用Matlab绘制出不同时刻丝杠的变形图;运用ANSYS Workbench有限元分析软件对双盘调速机构进行了静力分析和模态分析,对其结构的强度和刚度进行了验证。
  设计出双盘异步磁力耦合器调速装置的控制系统,基于PID控制理论,利用Simulink对其进行仿真,给出了控制系统中加入PID后的输出响应图,并对该调速系统进行了可控性分析。根据实际工程环境条件,设计出一种适用于矿用带式输送机的40KW双盘异步磁力耦合器,对其调速装置中的传动轴和转矩进行了校核,验证了双盘异步磁力耦合器调速装置设计的可行性。
[博士论文] 钱广
仪器科学与技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:光波导谐振腔是集成光学领域重要的光子器件之一,是目前光电子领域的研究热点。其中,基于聚合物材料的光波导谐振腔,凭其独特的易调控、低成本及制备工艺简单等优势,在高性能光信号处理及光传感领域呈现出巨大的应用前景。尤其,最新报道的基于聚合物表面等离激元波导的谐振腔,利用聚合物-金属界面的等离激元效应实现光信号的传输与谐振,具有单偏振及波导芯层光电复用等优越特性,为新型高性能、可调控光子器件的实现提供了崭新技术途径。
  本论文的研究目的是针对聚合物光波导谐振腔新的应用需求,探索大尺寸聚合物光波导谐振腔的优化设计方法和制备工艺,在此基础上研制出高性能谐振腔并研究其光传输特性及应用。同时,探索具有低传输损耗特性的聚合物长程表面等离激元波导在谐振腔中的应用,研究新型谐振腔的结构设计、传输机理、制备工艺和光学特性,并从实验角度揭示其传输规律,验证光模式与等离激元模式在谐振腔中传输的兼容性和等离激元波导为谐振腔引入的新特性。
  本论文首先从聚合物光波导谐振腔的基本类型、制备技术和应用等几个方面概述了该技术领域的发展情况及关键技术问题,随后介绍了在聚合物谐振腔的理论、结构设计、制备及实验测试方面的研究工作。论文主要工作如下:
  (1)针对聚合物谐振式集成光学陀螺芯片中的角度率传感单元,研制出了低损耗大尺寸聚合物光波导谐振腔。首先,研究了聚合物光波导的单模条件、最小弯曲半径和耦合器结构,得到了谐振腔的优化结构参数;探索了降低聚合物光波导损耗的工艺方法,首次实现了尺寸达厘米级的聚合物光波导谐振腔;实验测试了聚合物光波导谐振腔的谐振特性、偏振特性和温度特性,得到了聚合物光波导谐振腔在不同偏振及温度情况下的谐振规律,为该谐振腔在光传感及其它光子器件中的应用提供了实验依据;研究了聚合物光波导谐振腔在谐振式光学陀螺中的应用,得到了可实现的陀螺极限灵敏度及其进一步提升的方法。该大尺寸聚合物光波导谐振腔的研制为聚合物谐振式集成光学陀螺芯片中核心传感单元的设计与制备提供了思路与方法。
  (2)为了解决聚合物光波导谐振腔中的偏振噪声问题,同时避免表面等离激元波导因传输损耗大而无法实现大尺寸谐振腔的难题,基于表面等离激元波导的单偏振特性和聚合物光波导的低损耗特性,提出了一种聚合物光波导/长程表面等离激元波导垂直耦合谐振腔。研究了聚合物光波导与长程表面等离激元波导的耦合效应,展示了两种不同模式的垂直耦合规律。通过工艺优化,制备出了厚度为纳米尺度的银条,实现了传输损耗为0.173dB/mm的聚合物表面等离激元波导。在此基础上,首次实现了环形介质光波导与金属等离激元波导垂直耦合的谐振腔结构,测试出了谐振效应,发现该谐振腔具有单偏振传输特性。该工作不仅验证了光模式与表面等离激元模式在谐振腔中的垂直耦合转换,也为光波和表面等离激元波具有共同的电磁波属性提供了实验证据。这种垂直耦合谐振腔,具有单偏振、低损耗和集成化等优点,为新型低噪声、高性能集成光子器件和光传感器件提供了新的技术支撑。
  (3)提出并研制了一种聚合物表面等离激元波导耦合器/光纤混合谐振腔。首先,分析了聚合物表面等离激元波导弯曲半径对传输损耗的影响,得到了该波导的最小弯曲半径;并依此设计并制备了聚合物表面等离激元波导耦合器,实验验证了其单偏振传输特性;在此基础上,首次实现了基于聚合物表面等离激元波导耦合器的石英光纤谐振腔,测出了谐振效应,证明了光波与表面等离激元波在混合谐振腔内可以实现模式转换、循环传输和谐振,并发现了该谐振腔的单偏振特性;另外,建立了混合谐振腔的温度波动性分析模型,论证了该混合谐振腔的温度不敏感性。这种单偏振、温度不敏感的谐振腔,为解决光纤谐振腔器件(如:谐振式光纤陀螺)中的偏振噪声和温度噪声提供了崭新的技术途径。
  (4)首次探索了基于柔性聚合物表面等离激元波导的光纤谐振腔。设计了柔性聚合物表面等离激元波导结构,并分析了不同弯曲半径对传输模式的影响;研究了柔性聚合物表面等离激元波导的制备工艺,制备出了可实现侧向弯曲的柔性表面等离激元波导样品,并测试了其光传输特性和弯曲特性,发现其最小弯曲半径比传统平面型表面等离激元波导降低了超过50%;在此基础上,首次研制出了基于柔性聚合物长程表面等离激元波导的光纤谐振腔,实验测试了其在不同偏振态下的谐振特性,发现了其单偏振特性。该谐振腔同时具备单偏振特性和温度敏感特性,且将柔性聚合物表面等离激元波导引入混合谐振腔,可有效降低谐振腔内的弯曲损耗并提高混合谐振腔的性能,为新型高性能谐振腔拓展了又一崭新结构类型。
[硕士论文] 戴书槐
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:伴随着这些年微波技术的发展,波导功分器作为可以分配以及合成功率的微波组件,在雷达阵列以及国防武器等领域有着必不可少的地位,在构建卫星通信系统以及环境遥感领域中,都扮演着不可或缺的地位,尤其是在需要大功率的通讯系统中用波导功分器进行功率合成,直接关系到整个系统的所能达到的最大功率,波导功分器的隔离度、相位一致性、插损等指标,直接关系到了大功率系统的功率合成效果。并且在频段很高,甚至是到了毫米波波段的时候,选择用波导来制作功分器是我们的首要选择。虽然现在的微波电路在向着易于集成的趋势发展,但是波导功分器的高功率、低插损、高频段,起着用其它结构所制作而成的功分器不能替代的作用,因此研究波导功分器有着非常重要的意义。
  随着许许多多的学者对波导功分器的研究,使其有了长足的发展,但同时也存在一些问题,如隔离度不好,因立体结构而不宜加工等,所以本论文的目的是在保证各项指标性能优越的情况下,设计结构紧凑易于加工的波导功分器。本论文的主要工作如下:
  第一,首先介绍了国内外各类功分器的发展现状与发展进程,分析了其中存在的一些问题,其次分析了一些常应用实际工程中的三端口功分器以及四端口功分器的工作原理以及特性。
  第二,设计了一款 E面波导功分器:利用波导宽边没有电流流过的特性,把它设计成以宽边对称的结构使其可以沿宽进行抛开,在一定的程度上可以减小设计与加工的误差。
  第三,设计并加工了一款Ku波段四端口功分器:利用了阶梯结构匹配,使其能在全带宽内指标性能都优越,并做成了准平面结构使其结构更加紧凑以及易加工。
[硕士论文] 耿红亮
航天工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:射频微波行业突飞猛进,促进手机终端、智能控制系统、通信市场的快速发展,使得人们越来越依赖性能优良的收发系统,对高集成度、高性能和低成本射频前端的需求愈发迫切。本设计中的射频微波开关是射频前端的关键元件,其电路性能将直接影响射频系统性能。
  设计针对收发系统的导通关断需求的单刀双掷开关进行研究,首先探讨了射频开关芯片市场的需求现状,针对几款常见芯片进行参数对比综合评价,进而提出设计目标。然后讨论目前业内常用工艺,对比得出用于专门设计开关芯片的0.5μm栅宽砷化镓基赝配异质结高速电子迁移率晶管(GaAs pHEMT)工艺的优势。此工艺能较好实现射频前端集成模块中的功率放大器、开关、低噪放等元件的设计,性能参数优良。可以满足高集成度的需求,功耗低且成本可控。
  文中针对发射支路与接收支路性能要求不同,创新设计非对称结构的开关拓扑;利用场效应管的堆叠理论、对于开关管芯的多栅理论、开关控制的基本原理等在保证插入损耗以及隔离度的情况下着重提高其线性度。通过优化接地电容增大开关的使用带宽、提高谐波抑制能力。同时考虑减小键合线引入的电感影响等。为了进一步提高功率处理能力,针对性设计大小合适的前馈电容。然后利用ADS软件进行原理图与整体版图设计、仿真,将插入损耗、反射损耗、隔离度等小信号性能参数与线性度包括谐波抑制比和输入三阶交调截点等进行综合分析,取性能折衷最优,完成版图设计。最后完成流片、封装,芯片大小为3*3 mm2。采用射频微波试验台对开关芯片进行实测,测试结果表明,本设计开关芯片工作带宽为10MHz-2.6GHz,插入损耗(IL)小于0.6dB,隔离度(ISO)大于26dB,发射支路功率处理能力可达42dBm(70dBc),接收支路为35dBm(68dBc),符合应用需求。
[硕士论文] 尉伍
电路与系统 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着环境污染以及能源危机等问题日益凸显,世界各国都在积极发展新能源产业,而新能源汽车作为新能源领域的代表,凭借其在环保、技术、经济等方面的优势获得了人们的广泛关注。双向DC/DC变换器作为电动汽车能量传输的中间部件,不但可以将动力电池的能量传递给电机,也可以将汽车再生制动能量反向回馈给能量源,能量使用效率大大提高,因此设计一款能够实现能量双向流动、成本低廉、效率高、动态性能好、安全性高的DC/DC变换器具有重要的现实意义。
  本论文将交错并联双向DC/DC变换器作为研究对象,通过主电路加装肖特基二极管,硬件保护与软件保护以及制动时恒压限流策略多重保护,设计了一款高效率、安全性能好的DC/DC变换器,最后以STM32F4作为控制平台,通过搭建的硬件实物电路对所设计的DC/DC变换器进行实验验证。
  首先本文对双向DC/DC变换器几种常见的拓扑结构进行分析,在对各种拓扑以及效率的分析基础上,最终确定选取交错并联两相双向半桥变换器作为本次研究的主电路。接着详细分析了主电路的工作原理,并对电动汽车处于不同的运行状态时,给出了变换器相应的Boost以及Buck工作模式,之后对变换器各器件进行研究设计选型,并对变换器的各元件的损耗进行了详细分析,得出了变换器的损耗分布,最后在此基础上,通过并联肖特基二极管提高变换器的效率。
  其次针对变换器两种不同工作模式以及变换器的需求,明确了双向DC/DC变换器在两种不同工作模式下的控制目标,并采用了状态空间平均法进行系统建模,详细推导了小信号模型,在此基础上分别设计了两种模式下的双闭环控制器,采用恒压限流的控制策略充分保证DC/DC变换器的安全性,最后,通过SIMULINK对所搭建的模型进行闭环仿真,充分验证了系统各参数以及控制器设计的合理性,所设计的DC\DC变换器性能良好,具有高的动态响应速度。
  随后给出了变换器系统的硬件设计、搭建以及软件设计。其中,硬件电路包括主电路、采样调理电路、驱动电路、保护电路等模块,软件部分包括对采样信号进行AD转换及处理、控制PWM信号的产生、实现PI运算以及过压过流的保护等部分。
  最后对实验平台进行搭建,在Boost模式下对所搭建的硬件电路进行测试以及在小功率条件下,对变换器的效率进行了测试,验证了理论推导的正确性。
[硕士论文] 吴乙雨
电子科学与技术;微电子学与固体电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:功率因素校正技术(Power Factor Correction,PFC)已经普及,单级PFC变换器由于拓扑简单、电路成本低等优势,在照明、低功率开关电源、离线充电机等领域广泛应用,但还存在输出倍工频纹波大、动态性能差、受非线性影响等问题。采用数字技术,能优化系统环路、提高采样精度、提高动态和稳态性能、避免次谐波现象,是当前的研究热点。
  本文设计了一种具有高动态响应的数字多模式单级PFC反激变换器控制算法。论文分析了有源功率因素校正技术的基本原理、典型拓扑以及单级PFC反激变换器的基本控制策略,并总结各种拓扑和控制模式的优缺点。针对宽功率范围下不同的PFC实现模式,设计了固定导通时间控制算法,可兼容DCM、CRM和CCM模式,同时该方法规避了CCM模式下的次谐波振荡现象。针对单级PFC反激变换器输出端倍工频纹波大的问题,设计了平均值采样算法及其在CCM模式下的补偿技术,避免了误调现象,提高了负载调整率,且本采样方法不需要采样输入电压和原边电流,大大降低了电路成本。针对单级PFC反激变换器动态性能差的缺点,设计了数字动态变参数PI算法和快速动态响应算法,提高了环路的稳定性和动态性能。综合上述所提出的算法,实现了整套单级PFC反激变换器的数字控制策略,并利用Matlab和Modelsim实现了算法的代码级仿真。最终在一套20V/5A的电源系统上,利用FPGA进行了算法性能的有效验证。
  仿真和测试结果表明:所设计的单级PFC反激变换器控制算法在全输入电压、全负载范围内功率因数(Power Factor,PF)值最大达到0.998,总体大于0.90,系统平均效率达到86.13%,输出工频纹波小于3.6V,50%以上负载切换时间小于100ms,启动时间小于80ms,满足设计指标要求。
[硕士论文] 钱圣宝
集成电路工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:氮化镓(GaN)器件的出现使图腾柱无桥PFC(Power Factor Correction)变换器能够工作在连续导通模式。图腾柱无桥PFC变换器所用半导体开关管数量最少,工作时其原边电流只流过一个高频开关管和工频开关管,在工作运行时具有最少的通态损耗,因此图腾柱无桥PFC变换器成为效率最高的功率因数校正变换器。然而,其拓扑在交流输入电压过零点附近存在的电流尖峰,导致了更多的电流谐波畸变和电磁干扰问题,使图腾柱无桥PFC变换器难以推广应用。因此分析图腾柱无桥PFC变换器交流输入电压过零点附近的电流尖峰问题具有重要意义。
  本文设计了一种解决交流电压过零点附近电流尖峰问题的图腾柱无桥PFC变换器,主要完成了三个方面的工作:首先,分析了图腾柱无桥PFC变换器的结构特点和工作原理,并从全桥变换器结构的角度详细分析了电流尖峰问题的产生机理。其次,针对高频桥臂最小占空比限制和低频桥臂转换延时导致的交流电压过零点附近的电流尖峰问题,采用了对低频桥臂进行死区时间补偿、对高频桥臂进行占空比数字归并的控制方法。最后,完成了一台1kw图腾柱无桥PFC变换器样机的软硬件设计。
  基于1kw变换器样机,本文对以上分析和设计进行了验证。实测结果表明,变换器的工作频率为100kHz,在全负载范围内,变换器样机的PF值均大于0.96,且轻载时的效率达到96.4%,满载时效率达到98.1%。并且交流电压过零点附近的电流尖峰明显减少,总谐波失真(THD)最小为3.7%。
[博士论文] 俞居正
电子科学与技术;微电子学与固体电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:在通信基站、服务器、数据中心、雷达等应用领域中,由于空间有限、散热条件较差,开关电源的功率密度和变换效率成为核心指标。效率和功率密度的提升也是电力电子领域中永恒的主题,具有理论指导意义和实用价值。在应用第三代宽禁带功率器件GaN HEMT的背景下,可在1MHz开关频率以上维持较高效率,且无源器件和散热器的体积在此频率下大大降低,因此进一步提高功率密度变得可能。然而,GaNHEMT在反向电流的情况下压降高于现有硅基器件,作为同步整流器件时损耗较高;调压Buck变换器+隔离非调压LLC谐振变换器所构成的两级结构在独立控制时的动态性能差;控制参量较多时全负载范围效率难以优化等问题限制了效率的进一步提升。
  本文针对上述关键技术问题,分别研究了同步整流器件的关断过程与寄生延迟之间的关系、两级变换器的集成化控制方法、多控制参量的控制策略,提出双重判断机制的同步整流检测及谐振频率追踪技术、基于快速查找表(LUT)的PID控制算法、基于多对象优化技术的效率优化策略。主要研究内容与创新点如下:
  (1)研究了同步整流器件的关断过程与寄生延迟之间的关系,提出一种双重判断机制的同步整流检测技术,使同步整流器件在稳态下关断于体二极管导通时间最短的时刻,保证变换器的可靠性和效率。测试表明,本文提出的方法彻底消除了负载到变换器存在的100mA反灌电流,保证了变换器的可靠性,并使LLC谐振变换器的效率提高至94.5%;
  (2)研究了LLC变换器中励磁电感与谐振电感的比值对软开关实现的影响,提出一种数字谐振频率追踪技术,使LLC变换器总是工作在谐振频率处,在作为隔离非稳压变换器时实现最高效率。测试表明,在1MHz开关频率下,峰值效率可达96%,20%负载效率超过92%;
  (3)研究了两级变换器的集成化控制方法,提出一种快速LUT-PID控制策略,通过降低PID系数表格维度,缩短查询、计算时间,使变换器在各负载条件下的稳态误差得以降低,还大幅提高了变换器的动态性能。测试表明,在1MHz开关频率下,LUT-PID技术使变换器在负载切换时所需输出建立时间降低60%,输出电压稳态误差为0.1V,电流稳态误差为0.5A;
  (4)研究了多个控制变量对系统效率的影响,提出一种基于遗传算法的在线式多对象优化技术,以效率作为适应度函数,并基于功率器件和磁性元件的可靠性建立了控制参量的约束条件,从而对变换器的全负载范围效率进行了优化。测试表明,变换器的峰值效率达到90%,20%负载效率达到85%。
  在此基础上,搭建样机对提出的技术、算法和策略进行验证,变换器在400V输入时的峰值效率达到90%,20%负载效率为85%,功率密度可达160W/in3。测试结果证明,本文提出的算法提高了变换器的效率、动态性能和功率密度。
[硕士论文] 高海钰
仪器科学与技术;精密仪器及机械 东南大学 2017(学位年度)
摘要:随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,导航器件在民用设备中的大量使用和微型化需求,以及传统半球谐振陀螺仪自身所展现出来的独特优势,使得微半球谐振陀螺仪(μHRG)已经成为MEMS传感器领域研究的热点之一。本文从减小微半球陀螺仪的频率裂解和降低能量损耗两个方面对提高微半球谐振陀螺仪的品质因数(Q)进行了深入的分析,为制备高品质因数的微半球谐振陀螺仪奠定了基础。
  首先,对微半球谐振陀螺仪的研究背景和国内外发展现状进行了详细的阐述,为微半球谐振器的结构建模和加工工艺提供了借鉴,为微半球谐振陀螺仪的设计拓宽了思路。
  其次,对微半球谐振陀螺仪的几种主要的建模方法进行比较,并利用基于基希霍夫半球谐振子数学模型对微半球谐振器的进动特性和谐振频率进行了分析;分析了球壳材料的密度、弹性模量不均匀和球壳的半径不均匀的四次谐波对频率裂解的影响,为减小微半球谐振器的频率裂解提供了理论指导。
  第三,对微半球陀螺仪的各种能量损耗机理进行了分析,包括热弹性阻尼、支撑损耗、压膜阻尼、表面损耗等,阐述了品质因数和能量损耗之间的关系;采用数学建模的方式,对热弹性阻尼进行了粗略的预测,接着使用COMSOL软件仿真分析了球壳的结构参数和材料对不同结构形式的微半球谐振器的热弹性阻尼、支撑损耗的影响,为降低微半球谐振陀螺仪的能量损耗奠定了基础。
  第四,利用ANSYS有限元仿真软件对四种常见的球壳结构进行了模态和谐响应仿真,确定其固有频率和频率裂解;接着对内外球面不对称误差、球壳和支撑柱的中心不对称以及在球壳表面沉积金属导电层引起的频率裂解进行了仿真分析,确定引起频率裂解的主要因素;在此基础上,提出了一组微半球谐振器的结构参数和材料。
  最后,对微半球谐振器的加工工艺进行了介绍和比较分析;接着比较了三种不同加工微半球模子的工艺,并分别利用HNA溶液和SF6气体进行了初步的试验加工;对基于硅—玻璃晶圆级封装工艺和基于SOI的晶圆级封装工艺进行了分析。在此基础上对提出了基于SOI封装的组装式微半球谐振陀螺仪的加工工艺,绘制了相应的加工流程图,对各个加工步骤进行了详细的描述,并根据加工方案设计了相应的掩膜板,利用HNA溶液湿法腐蚀和SF6干法刻蚀对半球壳模子进行了初步的试验加工。
[硕士论文] 陈晓明
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:实现电子产品的全自动化加工是改善产品质量、提高生产效率、降低人工成本的有效途径。扬声器的振膜薄而软,不易加工。全自动转台机是实现振膜的全自动化加工的关键设备。本文针对手机扬声器的振膜加工,设计一种全自动转台机并进行结构优化。全文主要研究工作如下:
  分析了手机扬声器振膜的物理特性。根据振膜的工艺流程和设备要实现的工艺动作,提出了全自动转台机的总体设计方案,确定了每部分结构的工作流程和工艺要求。振膜产品通过全自动转台机进行翻转、激光切割和码盘。
  根据各个部件的工艺分析,利用SolidWorks对全自动转台机各个部件进行结构设计。通过对各个机构的虚拟装配,检验了设计的合理性。对全自动转台机的传输机构中的初定位机构中的缓冲器进行了选型计算。
  进行了全自动转台机中电气控制系统控制器类型的选择。提出了控制单元与控制系统的整体方案,给出了控制系统硬件选型依据。对电气控制系统进行了工艺设计。对全自动转台机进行了协调性分析,主要针对上料搬运的周期进行了优化计算,使其满足生产需求。
  进行了样机的装配和调试。对全自动转台机的工作性能进行了测试。测试数据表明:设计的全自动转台机具有自动化程度高、生产效率高以及设备稳定等优点。
  最后,针对全自动转台机转台机构的缺点进行了结构优化,对转台机构中的定位夹紧机构进行了优化设计。优化后的定位夹紧机构应用于振膜加工设备中,有利于提高转台的重复定位精度,便于设备的调试。
[博士论文] 程维昶
电子科学与技术;微电子学与固体电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:高功率密度变换器是一种应现代电子产品的小型化、轻型化发展趋势而新近出现的开关功率变换器,其优点在于能大大降低在系统中为电源模块分配的体积。目前学界对该类变换器的关注还停留在动态特性、温度特性及效率等系统电参数层面,而对其独特EMI特性的研究还远远不够。事实上,EMI作为功率变换器产品化中的认证标准之一,对系统的可靠性有重要影响。因此,研究高功率密度变换器的EMI特性具有重要的学术意义和实用价值。
  本文针对采用同步整流LLC谐振半桥拓扑的高功率密度变换器中存在的EMI研究模型复杂、平面变压器及多层PCB对系统EMI特性的影响及由过孔导致的栅极驱动近场耦合干扰等核心问题进行了研究。主要创新成果如下:
  1.以LLC谐振高功率密度变换器为研究对象,提出了解析/数值混合(HAN)EMI模型。该模型结合噪声路径与EMI接收机算法,并应用二分逼近、截断取值等方法,大幅降低了模型复杂度与计算资源消耗,基于该模型,在系统设计时便可对EMI情况进行预测。仿真结果显示,误差可控制在±3dBμV以内,达到了快速、精确预测的目的。
  2.通过修正平面变压器绕组电压梯度描述,提出了更精确的寄生电容解析算法,并以此建立了三电容式平面变压器等效模型,该模型能更好地描述EMI噪声传递特性。结合该模型,进一步揭示了EMI噪声通过原副边互电容传递的机理。
  3.提出了一种新型并联等电位式平面变压器结构。该结构采用特殊的绕组并联结构,使相邻层绕组间电势相等,在不降低耦合效率及器件集成度的前提下,可使原副边间互电容减小90%以上。
  4.揭示了多层PCB传递EMI共模与差模噪声的特殊机理,并基于理论分析提出了一种新型多层PCB铺地层屏蔽结构。仿真结果显示,该结构可有效减小噪声节点对地等效电容达56%。
  5.设计并研制了基于平面变压器与多层PCB新结构的EMI优化样机,实测结果显示,其EMI噪声在全频段下降9dBμV以上,个别频段最高下降达30dBμV以上。
  6.修正了P/G层谐振理论中谐振频率端接大导纳时造成的阻抗计算误差;在此基础上利用Z参数转换,提出了双层与多层P/G结构中的过孔间近场耦合干扰模型;并应用模型分析了过孔结构参数对近场干扰的影响。实验表明,基于分析结果提出的优化方案可使驱动耦合噪声尖峰降低30%以上。
[硕士论文] 陈国强
电路与系统 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:全双工通信是在同一时刻以相同的频率发送和接收信号的一种信号传输方式,相比于现有的频分双工和时分双工通信方式,理论上能使频谱利用率提升一倍。实现全双工通信必须要消除设备自身发送信号对接收信号造成的自干扰。射频自干扰消除技术是在射频前端进行的自干扰处理,可以避免接收机的放大器或ADC饱和与阻塞,是全双工通信自干扰消除技术中不可或缺的一部分。
  本文主要针对射频自干扰消除效果与哪些因素有关、如何提高射频自干扰消除效果和带宽这些问题展开研究,所做的主要工作如下:
  1、论文首先对射频自干扰消除传统方案进行了对比分析。根据仿真结果得出其中的可调衰减器移相器重建方案的消除效果满足本文需求。然后又通过分析影响射频自干扰消除能力的关键因素得出结论:提高调幅精度、移相精度和延时精度可以提高干扰消除能力。这些分析结论为后续的方案设计提供了理论依据。
  2、本文在传统方案的基础上做了改进,设计了单路宽带射频自干扰消除电路。主要改进是在传统方案的基础上增加了一个相频斜率调整模块,使重建信号与自干扰信号的相频特性在所有频点处相差180°,两个信号相加以达到宽带消除自干扰的目的。仿真结果表明此方案在2.35GHz~2.45GHz的频率范围内,自干扰消除效果为32dB~58dB。
  3、论文分析并设计了多路自干扰消除方案。考虑到实际应用场景中的自干扰信号,本文分析了自干扰的多径效应,并设计了双路射频自干扰消除电路。仿真结果表明射频自干扰消除效果为40dB~60dB,比单路自干扰消除效果更高。
  4、结合优化算法的设计与实现,完成了多变量控制的单路和双路射频自干扰消除实验。由于自干扰消除电路中各调整模块含有较多的控制变量,要达到全局最优的消除效果,需要使用优化算法,论文使用了局部搜索和梯度下降两种自适应调整算法对系统进行测试。测试结果表明,对于单音信号,单路方案自干扰消除效果为60.92dB;对于20MHz信号,单路方案自干扰消除效果为41.09dB,双路方案自干扰消除效果为44.63dB;对于60MHz信号,单路方案自干扰消除效果为32dB,双路方案自干扰消除效果为36.16dB。
[硕士论文] 魏福坤
光学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:人们不断开拓新技术来提升单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)传输容量,包括密集波分复用、偏振复用以及高阶调制等。然而,随着计算机技术的快速兴起,人们对信息需求量呈现出爆炸式增长。与此同时,单模光纤的传输极限估计在100 Tbps左右。不久的将来,单模光纤满足不了这种信息量增长的需求,因此不得不寻求新技术来进一步提升光传输网络的传输容量。模分复用(Mode Division Multiplexing,MDM)技术便是解决该问题的方案之一。
  模式复用/解复用器和模式转换器是MDM系统的关键器件。就当前研究而言,模式的转换与复用可以基于光子灯笼、Y分支、长周期光栅以及定向耦合器等波导结构实现。相比较于平面定向耦合器受限于两波导等高的约束,垂直定向耦合器的设计更加灵活。论文基于垂直定向耦合器设计了LP01-LP21a、LP01-LP21b以及LP01-LP02模式转换器。由于聚合物材料具有易加工的优点,因此选择 EpoCore和EpoClad分别作为芯层和包层制作器件。论文核心内容如下。
  首先,论文研究了LP01-LP21a模式转换。运用耦合模理论设计了LP01-LP21a模式转换器,并运用微加工工艺制作了器件。制作所得的典型LP01-LP21a模式转换器偏振弱相关。TE(TM)偏振在1530 nm波长处达到最佳转换效率达98.2%(94.9%),在C波段随着波长向长波场移动转换效率逐渐下降,在1560 nm波长处降至90.1%(88.8%)。该器件的理论设计参数与实际制作所得器件参数基本上是一致的。
  其次,论文研究了LP01-LP02以及LP01-LP21b模式转换。区别于LP01-LP21a模式转换器的设计,由于LP21b和LP02的简并性,不能通过模式间直接耦合的方式实现LP01-LP02以及LP01-LP21b模式转换。论文通过先把LP01耦合到E13,然后通过锥形波导过渡,把E13演变为LP21b或LP02。制作所得的LP01-LP02模式转换器件由于多层结构的应力作用,导致器件偏振相关。TE偏振光实现LP01-LP21b模式转换,TM偏振光实现LP01-LP02模式转换。TE(TM)偏振在1530 nm波长处达到最佳转换效率达98.0%(97.7%),随着波长向长波长移动转换效率急剧下降,在1560 nm波长处降至65.5%(55.5%)。制作所得的LP01-LP21b模式转换器,由于制作所得器件两波导截面尺寸与设计差别较大,模式的相位匹配程度不高,从而导致换效率非常低。
[硕士论文] 尹嘉庆
电路与系统 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在雷达和通信系统高速发展的趋势下,对低相位噪声、低功耗、低花费、小型化和可集成的源的要求越来越高。相位噪声在很大程度上决定着系统间信息交互的质量,所以低相位噪声的振荡器的研究仍具有非常重要的现实意义。本文基于基片集成波导技术(Substrate Integrated Waveguide,SIW)重点研究了三类微波低相位噪声振荡器:串联式振荡器、并联式振荡器、加载有源谐振器的振荡器。
  (1)为了研究串联式振荡器的性能,基于SIW腔体谐振器的Ku波段低相位噪声振荡器被设计。本实验提出采用SIW腔体谐振器的高次模的谐振频率作为振荡器的输出,腔体谐振器的模式越高,它的无载Q值越也就高,但相比于采用相同频率基模谐振器的振荡器,随着模式的增加,相应地尺寸也会增加,基于这个悖论,采用SIW腔体的对角TE102模式。为了进一步改善谐振器的选频性能,在对角TE102模式的电场的边缘,开一个L型的槽,在极大程度上改善了谐振器的性能。采用负阻式的电路结构作为补偿谐振器的损耗的有源放大单元,Ku波段串联式振荡器实现了稳定的振荡。该振荡器的振荡频率为15.55GHz,输出功率为-0.23dBm,输出相位噪声为-100.76dBc/Hz@100kHz,-130.43dBc/Hz@1MHz。
  (2)为了研究并联式振荡器的性能,基于QMSIW(Quarter Mode SIW)准椭圆滤波器的C波段低相位噪声振荡器和基于混合腔体的谐振器的X波段低相位噪声振荡器分别被实现。X波段混合腔体谐振器利用矩形SIW作为过渡结构来精确控制输入输出的耦合强度,可以实现插入损耗和有载Q值间的最优取值。混合腔体改善了CPW(Coplanar Waveguide)作为过渡电路造成的耦合强度对于加工精度十分敏感的难题。该振荡器最终的自由振荡频率为9.5GHz,输出功率为1.67dBm,输出相位噪声为-112.84dBc/Hz@100kHz。
  QMSIW被采用在C波段准椭圆滤波器的设计过程中,减小了谐振器80%的尺寸。在QMSIW谐振腔体间,利用T型槽精确地控制混合耦合的强弱。通过源-负载的耦合和QMSIW谐振腔间混合耦合的两条传输路径实现了两个传输零点。提高了滤波器的有载Q值。该振荡器的输出频率为6.96GHz,输出功率为4.96dBm,输出相位噪声为-112.89dBc/Hz@100kHz。
  (3)为了研究有源谐振器的振荡器的性能,利用QMSIW准椭圆滤波器的基本结构,在此基础上设计单端口负阻电路作为有源补偿单元,来解决平面谐振器的有载Q值和插入损耗无法同时提升的矛盾。在补偿电路的耦合位置和强度必须得到严格的控制,耦合位置的选取要尽可能的保证不影响到谐振器原有的性能。耦合强度的必须是弱耦合以保证负阻电路不产生自激振荡。该振荡器的自由振荡频率为7GHz,输出功率为4.3dBm,测得相位噪声为-133.06dBc/Hz@1MHz。
[硕士论文] 肖磊
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:为了实现在0.5-40GHz频段内,对固体介质的复介电常数进行测量。本文将0.5-40GHz拆分为三个频段一个同轴谐振腔覆盖0.5-5GHz频段、两个圆柱腔分别覆盖7-18GHz和18-40GHz。三个腔体都采用了一腔多模技术。本文主要研究工作如下:
  1)谐振腔中模式众多,通过分析模式分布选定工作模式。根据测试频点应尽量多,且应均匀分布在频段内的要求。分析计算并绘制了圆柱腔工作模式分布图,最终圆柱腔中采用011TE到017TE七个高次模式、同轴谐振腔中用001TEM到005TEM五个模式为工作模式。
  2)针对圆柱腔中工作模式为高次模开展了模式净化工作。圆柱谐振腔中工作模式为高次模,附近杂模很多,如不采取相应技术措施,使用时会严重影响测试准确度。通过对腔体尺寸优化,使杂模和工作模式频差达到最大。另一方面分析工作模式和简并模式场分布的不同点。通过增加后腔以及优化耦合馈电位置,来对简并模式进行抑制。抑制后得到的工作模式S21扫频曲线关于谐振频点基本对称。
  3)基于腔体工作带宽和杂模抑制要求,开展了馈电及耦合装置设计。为了满足两个圆柱腔宽频带耦合馈电,设计了对应频段的双脊波导到同轴线转换器。7-18GHz转换器驻波小于1.2、18-40GHz转换器驻波小于1.4,满足带宽要求。馈电位置要能够激励起所有工作模式,同时不激励或者弱激励起简并模式
  4)基于模式分布、模式净化和耦合馈电,开展了谐振腔的整体设计。针对传统圆柱腔测试介质时放置介质不方便、测试繁琐的问题。对圆柱谐振腔的开腔方式做了创新改进,通过在腔壁中打通孔加入滑轨,在滑轨顶端加入弹簧。在不影响圆柱腔场分布,不改变原来腔体测试精度情况下,使得空腔测试和加入介质测试,这两种测试方式的切换,变得快速简单。这是本文的创新点。另外同轴腔开路端辐射太大影响测试精度,在开路端采用渐变结构,使开路端直径大大减小,减弱腔体辐射以保证测试精度。
  对谐振腔进行空腔实测,测试结果和仿真结果基本一致。用18-40GHz圆柱腔测试介质样品,相对介电常数测试结果相对误差小于5%。
[硕士论文] 马凯文
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,大规模微波毫米波相控阵在军事雷达领域得到了迅猛发展,并将有望成为现代通信方案(例如5G)的组成部分;相控阵能达到更快的波束形成和更强的干扰抑制,因而具有更好的信噪比和更高的信道容量。这就迫切需要研制出高性能、小型化、可批量生产的移相器芯片以及射频收发组件系统级芯片。传统上,III-V技术(InP或GaAs)由于其在输出功率和噪声方面的优异性能被广泛采用,却也存在价格高、集成度低的问题。然而,近年来BiCMOS工艺在射频微波领域的快速发展,使研制出高集成度低成本的移相器芯片和射频前端SoC成为可能。
  基于格罗方德0.13μm SiGe BiCMOS工艺,本文将对微波数字移相器芯片以及射频前端SoC展开研究,包括Ku和K波段两个6-bit数控移相器的芯片设计以及K波段多功能T/R收发前端SoC设计,具体研究结果如下:
  采用工艺库中具有良好高频性能和隔离特性的nfetw_rf(深势阱场效应晶体管),作为移相器中的关键开关器件,设计了Ku和K波段两款6-bit数控移相器,两个无源移相器均采用级联六个移相单元的结构。其中的Ku波段移相器工作在15~18GHz频段内,可达到0~360°全相位的移相,最小分辨率为5.625°;移相均方根误差在全频带内<1.75°;插损为-10.8~-9.3dB,移相附加衰减控制在±0.1~0.8dB之间,VSWR<2,输入功率P_1dB为14.01dBm。而K波段移相器工作在19~24GHz频段内,同为6-bit的移相精度;移相RMS error<2.60°;插损为-13.8~-11.6dB,移相附加衰减在±0.2~1.1dB之间,VSWR<2,输入功率P_1dB为15.93dBm。这两款移相器具有高精度、低插损、宽带宽、高线性度的特点。
  针对移相器在SoC中的应用,根据实验室与国内某单位的合作项目需求,另外设计一款 K波段全单片式TR收发组件前端芯片,其中包括波控、电源控制、射频等单元电路;射频部分包括上述K波段数控移相器在内,同时集成了低噪放、驱放、开关、数控衰减器等单元。此外,为实现高低温环境下系统的噪声和增益特性,对放大器引入随温度线性变化的电流源进行温度补偿,还在系统中单独嵌入温补衰减器模块。常温下,19~24GHz频段内仿真结果表明:接收/发射通道增益>20dB,接收通道噪声<4.6dB,接收通道输入P_1dB>-14.3dBm,发射通道输出功率大于12.4dBm,6位移相步进,移相RMS error<2.9°,6位衰减步进,衰减RMS error<0.52dB。
[硕士论文] 焦益明
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当前,随着各种各样无线通信技术的涌现,兼含多个通信技术于同一通信系统正成为人们关注的热点。作为其关键器件之一,能够工作于多个频段的滤波器可以有效地滤除噪声或无用信号,减小电路体积和插入损耗。因此,研究多频带滤波器是当下的研究重点。本文针对小型化微带双通带滤波器开展了研究,主要工作包括如下内容。
  1.分析了开路枝节加载谐振器的谐振特性,揭示了谐振特性与关键结构参数之间的关系。在此基础之上,构造了两种枝节线加载谐振器。通过选择恰当的耦合方式和馈电方式,构成了两个可调双通带滤波器。为了清楚地呈现设计过程,导出了它们的等效电路,并分析了其传输零点的产生机理。最终进行了实际加工和测试。测试结果表明:基于该结构的滤波器两个通带的中心频率均独立可调,并且有较大的调节范围,具有较强的灵活性和可适应性。
  2.利用阶跃阻抗谐振器和均匀阻抗谐振器的组合,构造了一个双通带滤波器。为了揭示其物理机制,建立等效电路,分析了两个通带的耦合机制和传输零点的产生机理。最终的测试结果验证了相应的分析。该双通带滤波器具有出色的频率选择性以及带外抑制特性,并且电路体积较小。
  3.研究了一种“双环连接”的新型谐振器。通过电磁仿真,揭示结构参数与其谐振频率之间的关系。此外,选择合适的耦合方式以及馈电方式,构造了一种双通带滤波器。测试结果表明:此滤波器具有优异的带外抑制特性。
[博士论文] 郭荣迪
电子信息材料与元器件 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:LiZn和NiCuZn铁氧体均为优良的微波铁氧体材料。其中,LiZn铁氧体材料具有饱和磁化强度可调范围宽、剩磁对应力敏感性低、居里温度高以及成本低廉等特点。相比于 LiZn铁氧体,NiCuZn铁氧体材料具有较低的磁晶各向异性常数及较高密度等优点,故其具有较低的铁磁共振线宽ΔH,但其居里温度较低。两种铁氧体材料均被广泛应用于各种高频微波/毫米波器件。对于 Ka波段铁氧体移相器,为实现其低插入损耗、高温度稳定性和小型轻量化,要求应用其中的铁氧体具有高饱和磁化强度、剩磁比和居里温度及低矫顽力、铁磁共振线宽和介电损耗角正切。综上所述,本文在材料方面对应用于Ka波段铁氧体移相器的高旋磁性LiZn铁氧体、NiCuZn铁氧体及复合技术制备的LiZn/NiCuZn铁氧体的静磁性能、微波损耗及其影响机理展开研究工作;在器件方面,针对Ka波段铁氧体移相器的优化仿真设计与实现展开研究工作。
  本研究主要内容包括:⑴在高旋磁性LiZn铁氧体方面,针对于Zn取代、缺铁和Bi2O3添加剂对LiZn铁氧体性能影响展开研究。结果表明:Zn取代可有效改善LiZn铁氧体的旋磁性和软磁性,但会引起居里温度 Tc下降。通过亚铁磁性奈尔分子场理论计算了LiZn铁氧体的分子场系数ωaa、ωab=ωba、ωbb;分子场系数ωab的减小直接导致A-B位超交换作用的减弱,使得居里温度Tc降低;通过XPS分析Fe2p谱得出在主配方中适量缺铁能够有效抑制Fe2+的产生,降低矫顽力Hc、磁晶各向异性常数K1和铁磁共振线宽ΔH,但会引起居里温度Tc下降;通过“砖墙”理论模型结合电阻率ρ和介电常数ε′频谱(f=0.01~1 MHz)计算了晶粒、晶界电阻率,主配方中缺铁有利于提高晶粒、晶界电阻率;同时,根据趋近饱和定律和自旋波理论模型对铁磁共振线宽ΔH进行分离,得到影响ΔH变化的主导因素;Bi2O3添加剂对LiZn铁氧体具有助熔与阻晶作用。适量Bi2O3可有效提高LiZn铁氧体密度dm、饱和磁化强度Ms、剩磁Br,降低矫顽力Hc和气孔率P,同时,适量Bi2O3可有效降低LiZn铁氧体的ΔH中的气孔致宽部分,并可改善LiZn铁氧体的微波介电性能。⑵采用氧化物陶瓷工艺制备了NiCuZn铁氧体,研究了Zn取代、缺铁、Bi2O3添加剂对NiCuZn铁氧体的性能的影响。结果表明:Zn取代可有助于提高材料的饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低矫顽力Hc和居里温度Tc。基于奈尔分子场理论,采用非线性拟合方法求解了不同Zn含量NiCuZn铁氧体的分子场系数(ωaa,ωbb和ωab=ωba),得到与实测曲线吻合良好的分子磁矩随温度变化(1.8~400 K)曲线图,并修正了适合含有多种磁性离子(Ni2+、Fe3+、Cu2+等)的NiCuZn铁氧体材料亚铁磁性和顺磁性居里温度Tc计算公式。当Zn含量增多时,分子场系数ωab的减小导致了居里温度降低。同时,计算了NiCuZn铁氧体高温顺磁性居里温度T-;适量的缺铁可提高NiCuZn铁氧体的饱和磁化强度Ms、密度dm和电阻率ρ;适量缺铁可有效降低NiCuZn铁氧体的ΔH;当缺铁量x=0.08时,NiCuZn铁氧体具有最小ΔH=9.63 kA/m,介电常数具有最大值ε′=14.0,介电损耗角正切tanδε为1.74×10-4;适量Bi2O3添加剂可有效提高NiCuZn铁氧体密度dm、饱和磁化强度Ms、剩磁Br,降低矫顽力Hc和气孔率P,同时,适量Bi2O3添加剂可有效降低NiCuZn铁氧体的ΔH,并可改善NiCuZn铁氧体的微波介电性能。⑶采用氧化物陶瓷工艺复合技术制备了高旋磁性铁氧体,研究了将LiZn与NiCuZn按不同质量比复合对高旋磁性铁氧体的性能的影响。同时,为与将LiZn铁氧体与NiCuZn铁氧体按不同质量比复合制备的铁氧体进行对比,采用氧化物陶瓷工艺制备了Ni2+、Cu2+取代LiZn铁氧体中的Fe3+构成的五元系铁氧体,研究了不同Ni、Cu取代量对五元系铁氧体的晶相、显微结构、静磁性能、电阻率和铁磁共振线宽的影响。结果表明:对于将LiZn铁氧体与NiCuZn铁氧体按不同质量比复合制备的高旋磁性铁氧体,随着NiCuZn铁氧体在复合中比例的增加,可有效提高高旋磁性铁氧体的密度dm、饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低矫顽力Hc、磁晶各向异性常数 K1和铁磁共振线宽ΔH,并可改善高旋磁性铁氧体的微波介电性能,但居里温度Tc逐渐降低;同时,通过对Ni元素和Fe元素的EDS能谱分析,随着烧结温度从800提高到1200℃,LiZn和NiCuZn铁氧体由两相逐渐融合为均匀质;适量 Ni、Cu取代可有效提高五元系铁氧体的密度 dm、饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低铁磁共振线宽ΔH,但不利于矫顽力Hc的降低。⑷基于采用复合技术制备的高旋磁性铁氧体材料对背脊式波导结构的Ka波段铁氧体移相器进行仿真优化设计与实现,结果表明:针对于中心孔宽度、磁心壁厚度、铁氧体磁心中心孔填充介质及铁氧体磁心长度的仿真优化有助于抑制电磁波的高次模,降低Ka波段铁氧体移相器的回波损耗S11、插入损耗S21和驻波比VSWR,提高相移量;在室温到80℃温度范围内,通过对Ka波段铁氧体移相器模型的仿真优化设计达到了预期设计目标;在80℃温度下Ka波段(33.5~34.5 GHz)铁氧体移相器实际测试回波损耗|S11|均大于20dB、插入损耗|S21|均小于0.77dB、驻波比VSWR小于1.1、相移量达到360°、相移精度小于2°。
[硕士论文] 崔亦霖
材料科学与工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:声表面波(Surface acoustic wave,SAW)器件因为其具有体积小、品质因数高、响应快、成本低、可以无线无源工作等优点,因此非常适合高温高压、高速移动或旋转、有毒有害等恶劣环境中进行传感。随着对航空航天、工业制造等领域的结构健康监控(Structure health monitor,SHM)的需求日益增多,能无源无线传感的SAW传感器有着广泛的应用前景。因此展开在恶劣环境下进行温度、应变等物理量进行传感的SAW传感器的研究有着十分重要的意义。
  本文采用了一种具有优秀的高温应变特性的新型压电基底材料硅酸镓镧(Langasite,LGS)来制备SAW温度应变传感器。设计出的SAW传感器为谐振器结构,叉指对数为100对,叉指宽度为2μm,金属化比率为0.5,孔径长度为100λ,其中叉指换能器(IDT)与反射栅(Reflector bank)之间的距离为6μm。并利用COMSOL Multiphsycs软件对所设计的器件进行了仿真计算。
  本文选用的LGS基底的欧拉角为(0°,138.5°,26.6°),采用微电子工艺在基底材料上制作SAW谐振器。并对工艺参数进行了优化,得到了性能优异的SAW传感器。
  本文对所制得的LGS声表面波传感器进行了温度性能测试,温度测试范围为20℃~400℃。在不同温度下LGS传感器均保持了良好的SAW特性,其谐振频率随着温度的升高而降低,经过线性拟合,我们计算出了基于欧拉角为(0°,138.5°,26.6°)的LGS传感器的其一阶和二阶温度频率系数的值分别为-4.229×10-4和-2.034×10-5。为了验证LGS声表面波传感器的温度重复性,我们对其进行了温度循环测试,测试结果表明循环测试下传感器的温度重复性良好,其最大误差为2.39%,满足测试需求。
  本文还对20℃~250℃下LGS传感器的应变特性进行了研究。通过悬臂梁结构测试了LGS的频率应变特性,测试表明LGS传感器的谐振频率随着应变的增加呈线性降低,应变灵敏度为-162.94Hz/με,应变频率系数为-0.488ppm/με。通过温度应变测试可知,随着温度的升高,传感器的应变灵敏度逐渐降低,到250℃时,灵敏度为-120.75Hz/με,应变频率系数为-0.363ppm/με。
  本文还研究了SAW传播方向与应变方向夹角的关系。通过不同角度粘接传感器的方式,改变传感器的SAW传播方向与应变的夹角,研究了其应变特性。粘接器件的角度分别为0°,30°,60°,90°,测试结果表明,SAW的传播方向与应变方向的夹角发生改变时,传感器谐振频率对应变的响应也随之发生改变,夹角为30°,60°,90°时,其谐振频率会随着应变的增加而增加,其灵敏度分别为179.17 Hz/με,325.09 Hz/με,162.48 Hz/με。频率应变系数分别为0.536 ppm/με,0.973 ppm/με,0.486ppm/με。另外还对这些传感器进行了不同温度下的应变测试,其灵敏度亦随着温度的上升而降低。
  最后,本论文对LGS传感器进行了应变误差分析.计算了传感器的相对线性误差,在全温测量范围内,相对误差范围为0.22%~1.68%,表明传感器具有良好的线性度。为了研究应变滞后误差,对传感器进行了应变循环测试,测试结果显示,在常温下所有器件的应变之后误差均在3%以内,随着温度的升高,应变滞后误差开始升高,在10%以内。
[硕士论文] 杨雪梅
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:本论文针对现阶段磁场传感器灵敏度不高、体积大等问题,提出基于磁电复合多层膜结构和声表面波结合的技术实现磁场探测的声表面波谐振器。本论文的声表面波谐振器是基于ScAlN/FeGa磁电复合多层膜结构,可以应用于直流或者低频磁场环境的探测。本论文的主要的研究内容有:
  1、采用散射矩阵法和COMSOL Multiphysics两种方法分别计算了ScAlN/FeGa多层结构的传播特性,包括瑞利波的频散曲线和机电耦合系数以及截止杨氏模量。散射矩阵法计算结果表明ScAlN/FeGa多层结构在谐振频率和压电薄膜厚度的乘积f*hScAlN小于0.32GHZ·μm区间内声表面波波速的变化范围为2089m/s到2249m/s,机电耦合系数从0.2%增加至0.8%,然后又降低至0.02%。多层膜结构存在一个杨氏模量下限,低于截止杨氏模量,SAW不能激发,因此需将f*hScAlN的值限制在0.29GHZ·μm以下的区间。COMSOL仿真结果与散射矩阵方法得到的声表面波波速和机电耦合系数的结果一致,验证了计算的正确性。
  2、采用射频磁控溅射镀膜制备了AlN薄膜,在此基础上使用贴片靶材制备Sc含量不同的ScAlN薄膜。详细研究了溅射工艺条件对于薄膜取向和表面形貌等的影响,得到制备高度c轴取向压电薄膜的最优条件。其中,AlN薄膜的摇摆曲线半高宽为5°,表面粗糙度为2.8nm;Sc含量为14.5%的ScAlN薄膜的摇摆曲线半高宽为3.6°,表面粗糙度为2.36nm。探索了Sc的掺杂量不同对于ScAlN薄膜的生长速率和晶体结构的影响。针对制备AlN和ScAlN过程中对于N2分压的需求量的显著差异,采用第一性原理计算了薄膜生长过程,提出了较为可信的解释。
  3、为了制备SAW谐振器,首先对FeGa基片进行了抛光处理并测试其表面粗糙度。接着采用机械共振方法测试了退火之后的FeGa基片的巨杨氏模量效应和磁机耦合系数。在此基础上,研究了光刻叉指结构的工艺条件,采用光刻胶AZ5214在基片表面光刻制备叉指宽度为4μm的叉指电极,完成了磁电SAW谐振的制备。最后,采用矢量网络分析仪和微波探针台对单端口磁电SAW谐振器进行了测试,其中心频率为218MHz,即声表面波波速为3488m/s。ScAlN/FeGa多层结构的引入降低了制备工艺难度的同时,提高了器件的声表面波波速,为压电/磁致伸缩多层结构的SAW器件应用到实际中提供了可能性。
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