CN115189112B - 二分式六线-三端口磁电功率分割器及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体功率电子器件技术领域，公开了一种二分式六线‑三端口磁电功率分割器，所述磁电功率分割器由一层片状镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4与一层片状压电材料PZT‑8层叠后在裸片外围密绕铜质线圈而成，所述镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4沿长度方向磁化，压电材料PZT‑8沿厚度和长度两个方向极化；所述铜质线圈端口作为磁电功率分割器的功率输入端口，所述压电材料PZT‑8两侧的两个端口分别作为磁电功率分割器的功率输出端口I和功率输出端口II。本发明利用铁磁材料的磁致伸缩效应以及压电材料的压电效应并通过层间应变传递实现强磁电耦合，利用压电材料固有电极化差异所引起的阻抗梯度实现了高隔离度条件下的功率分割。
Description
技术领域
本发明属于固体功率电子器件技术领域，涉及一种二分式六线-三端口磁电功率分割器及其测量装置。
背景技术
功率分割器是一种非互易性无源网络元件，能够将一路输入信号能量分成两路或多路功率信号输出，是射频系统和通信系统的关键部件之一。特别在微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分割器，而且功率分割器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大并合成输出。功率分割器可在多个频段工作，具有电路尺寸较小，成本相对低廉的优势，且现在各种频段的电子设备都需要各种功能的元器件相互配合，以此实现信号的匹配、分配等功能。1960年，Ernest J.Wilkinson率先提出了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功率分割器，该器件被命名为Wilkinson功率分割器，自此微带线功率分割器得到了广泛的发展与应用。随着固态电子器件的进一步发展，要求功率分割器体积小，隔离度高，且需要对器件的频段进一步扩展，以适应在功率分割器在各种电子及电气转换模块中应用。
随着多铁材料与器件研究的不断深入，磁电复合材料因其物理内涵涉及应变传递、电荷转移、量子自旋等多个凝聚态物理范畴的交叉与融合而近年来在磁场/电流传感、能量采集、自旋电子器件、新型信息存储以及功率电子器件等领域蕴藏着巨大的潜在应用前景，同时也为新型非互易性功率转换器件的开发开辟了新的途径。目前相关研究主要集中在压磁/压电多铁异质结与围密绕线圈构成磁电功率器件的频率响应特性、阻抗转换特性以及功率传输特性。2008年，上海硅酸盐研究所的Jia等人提出了一种三层磁电复合结构与压电变压器复合而成的磁电异质结构，输出谐振磁电系数可达57.3 V/Oe，提升为经典三层磁电结构的50倍（By Yanmin Jia, Haosu Luo.Adv. Mater.,2008,20,4776-4779）。2011年，香港理工大学的Leung等人报道了一种压电/铁氧体磁电异质结构的双谐振逆磁电效应，并揭示了其双谐振电压升压效应，使磁电复合材料在对双端口网络的功率提升具有重要意义（Chung Ming Leung, Siu Wing Or, Feifei Wang.J. Appl. Phys.2011,109,104103）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二分式六线-三端口磁电功率分割器，实现了高隔离度条件下的功率分割，是一种无源、高隔离度的固态功率电子器件。
本发明的目的在于还提供二分式六线-三端口磁电功率分割器的测量装置，验证了磁电功率分割器件能够实现在谐振频率处的功率最大提取和分割功能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种二分式六线-三端口磁电功率分割器，所述磁电功率分割器由一层片状镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4与一层片状压电材料PZT-8层叠后在裸片外围密绕铜质线圈而成，所述镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4沿长度方向磁化，压电材料PZT-8沿厚度和长度两个方向极化；所述铜质线圈端口作为磁电功率分割器的功率输入端口，所述压电材料PZT-8两侧的两个端口分别作为磁电功率分割器的功率输出端口I和功率输出端口II。
在一个技术方案中，所述镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4的厚度为1mm；压电材料PZT-8的厚度为3.65mm。
本发明还提供上述二分式六线-三端口磁电功率分割器的测量装置，包括磁电功率分割器、锁相放大器、可调变阻箱、静态偏置磁场施加装置和支架，所述磁电隔离器固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成；所述磁电功率分割器的铜质线圈端口连接锁相放大器的功率输出端，磁电功率分割器的压电材料PZT-8的两个功率输出端口与可调变阻箱串联后连接锁相放大器的功率输入端。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明二分式六线-三端口磁电功率分割器为双层层叠块体结构，将线圈端口作为功率输入端口，压电变压器的两个端口作为输出端口，利用铁磁材料的磁致伸缩效应以及压电材料的压电效应并通过层间应变传递实现强磁电耦合，利用压电材料固有电极化差异所引起的阻抗梯度实现了高隔离度条件下的功率分割，是一种无源、高隔离度的固态功率电子器件。
本发明具有无源、高效、制作工艺简单、结构小巧、电气隔离性高等突出优点，在小功率开关电源、AC/DC转换器、LED光强调节以及消费电子产品LCD显示屏亮度调节等领域具有潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明磁电功率分割器件示意图。
图2为本发明磁电功率分割器件的测量装置示意图。
图3为磁电功率分割器在30kHz-110kHz范围内的幅频响应曲线。
图4为磁电功率分割器的输出电压和功率随电阻变化的响应曲线。
图5为磁电功率分割器的输出电压随磁场变化的响应曲线。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例一
1）制作二分式六线-三端口磁电功率分割器
如图1所示，本实施例中二分式六线-三端口磁电功率分割器由一层片状镍锌铁氧体材料101与一层片状压电材料102层叠后在裸片外围密绕铜质线圈而成。镍锌铁氧体材料101采用Ni0.8Zn0.2Fe2O4，并沿长度方向磁化，压电材料102采用PZT-8、并沿厚度和长度两个方向极化。将铜质线圈端口作为磁电功率分割器的功率输入端口，将压电材料PZT-8两侧的两个端口分别作为磁电功率分割器的功率输出端口I和功率输出端口II，由此构成二分式六线-三端口磁电功率分割器。
二分式六线-三端口磁电功率分割器的制备方法如下：分别选取尺寸为37mm×8mm×1mm的Ni0.8Zn0.2Fe2O4镍锌铁氧体样片和37.5mm×8mm×3.65mm3的压电材料PZT-8裸片，先用600目细砂纸对镍锌铁氧体样片进行打磨并用丙酮清洗去除氧化层和附着物待用；后将压电材料裸片和镍锌铁氧体样片用环氧树脂胶层合黏结后在恒温120°C的环境下放置烤箱2小时后冷却至室温；将压电材料的两个端口引出电极且均作为器件的两个输出端口；最后使用线径0.2mm的漆包线均匀密绕205匝在磁电复合元件的外围，并留出两个线端作为器件的输入端口。
磁电功率分割器的工作原理如下：缠绕线圈端口作为器件的输入端口，当接收信号输入时在线圈内部随即产生纵向交变磁场，裸片的磁致伸缩层感应到纵向交变磁场并产生同频的拉伸应变，后应变通过界面层间传递至压电材料层，借助压电材料的逆压电效应以及其固有的本征阻抗梯度差异，压电材料的两个端口能够以电压的形式同时输出，从而实现对线圈端口输入功率的分割。同时，在功率分割功能的实现过程中，也借助了由阻抗梯度差异所引起的良好的电气隔离特性。
2）搭建测量装置
如图2所示，测量装置包括磁电功率分割器1、锁相放大器2、可调变阻箱3、静态偏置磁场施加装置（图中未示出）和支架（图中未示出）。磁电功率分割器1固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。磁电功率分割器1的铜质线圈端口连接锁相放大器2的功率输出端，磁电功率分割器1的压电材料的两个功率输出端口与可调变阻箱3串联后连接锁相放大器2的功率输入端。
所用可变电阻箱3的型号为ZX21（购自上海东茂电子科技有限公司），以及ZX25（购自上海电工仪器厂）；所用锁相放大器的型号为Zurich MFLI-500kHz（购自瑞士苏黎世仪器公司），其对应的是Labone软件系统。
3）测量谐振频率
借助锁相放大器2作为数据采集装置，分别测定输出端口的输出电压/功率随外加负载的变化规律。同时，输入信号由锁相放大器2内部震荡源为线圈提供，通过设定扫频范围即可测定输出电压/功率随频率变化的幅频特性；通过改变负载电阻即可得到输出电压/功率随负载的变化规律。
图3为磁电功率分割器1在30 kHz-110 kHz范围内的幅频响应曲线，设置激励电压为10 mV，测得压电材料在谐振范围内的幅频响应。如图3所示，测得压电材料具有双谐振特性，两个谐振频率分别为59.96 kHz和115.58 kHz。
图4为磁电功率分割器1在1V恒压信号激励下，输出电压和功率随电阻变化的响应曲线。从图4可知，通过改变磁电功率分割器1中压电材料的负载，输出电压和功率会随之变化，即随着电阻的增加，输出电压明显增加，最终增加趋势趋于平缓，对于输出功率先迅速增加，到达最大功率时，再减小到最后趋于平缓。图4-a和4-b为磁电功率分割器1的输出端口I在两个谐振点（59.96 kHz、115.58 kHz）的输出电压和功率随输出负载的变化曲线，其功率分别在6 kΩ和5.5 kΩ处达到的最大值154.26 nW和475.95 nW；图4-c和图4-d是磁电功率分割器1的输出端口II在上述两个谐振率处的输出电压和功率随输出负载变化的曲线图，其功率分别在30 kΩ和12 kΩ处达到最大值12.73 nW和27.85 nW。
调整两块永磁体与磁电功率分割器1的距离以改变施加在磁电功率分割器1上的磁场大小。图5为磁电功率分割器1的输出电压随磁场变化（-6Oe-6Oe）的响应曲线，设置激励频率50 kHz。
综上所述，对磁电功率分割器的线圈输入端口施加交变磁场激励，测试了由压电材料引出两个输出端口的功率随负载电阻在谐振频率处的变化曲线，实验结果表明本发明磁电功率分割器件能够实现在谐振频率处的功率最大提取和分割功能，进一步验证了本发明六线-三端口磁电功率分割器设计方案的合理性。本发明磁电功率分割器与传统功率分割器件相比对具有更好的电气隔离特性，且制备简单，在低功率小器件传输和射频通信中有潜在应用价值。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (3)
1.一种二分式六线-三端口磁电功率分割器，其特征在于，所述磁电功率分割器由一层片状镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4与一层片状压电材料PZT-8层叠后在裸片外围密绕铜质线圈而成，所述镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4沿长度方向磁化，压电材料PZT-8沿厚度和长度两个方向极化；所述铜质线圈的端口作为磁电功率分割器的功率输入端口，所述压电材料PZT-8两侧的两个端口分别作为磁电功率分割器的功率输出端口I和功率输出端口II。
2.根据权利要求1所述的二分式六线-三端口磁电功率分割器，其特征在于，所述镍锌铁氧体材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4的厚度为1mm；压电材料PZT-8的厚度为3.65mm。
3.权利要求1~2任一项所述的二分式六线-三端口磁电功率分割器的测量装置，其特征在于，包括磁电功率分割器、锁相放大器、可调变阻箱、静态偏置磁场施加装置和支架，所述磁电功率分割器固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成；所述磁电功率分割器的铜质线圈的端口连接锁相放大器的功率输出端，磁电功率分割器的压电材料PZT-8的两个功率输出端口与可调变阻箱串联后连接锁相放大器的功率输入端。
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