磁电可调微波器件中的关键力学问题研究

可调微波器件是国防平台下的电子战系统、相控阵雷达中的关键器件。以复合磁电多铁性材料为核心的新型磁电可调微波器件由于具有高品质因子，快速大范围磁电双可调能力，有望成为下一代主流可调微波器件。本项目针对磁电可调微波器件中电-力-磁-电磁波多物理场耦合与微波磁电效应中复杂相互作用研究相对缺乏的现状，以探索磁电可调微波器件制备、设计、应用中所涉及的多场耦合、微波磁电效应机理等关键力学问题为目标，拟开展电场调节铁磁共振频率漂移与非线性电-力-磁-电磁波耦合机理的理论模型与宏观表述、实用高频集总电路模型建立及可调微波器件数值仿真框架等研究，并开展磁电多铁性材料与磁电微波器件微波频段的实验研究，分别对所建立的理论模型的有效性进行定性定量分析，对数值仿真设计方法的可靠性和稳定性进行验证。本项目通过对上述关键力学问题的研究，从而为工程应用中磁电可调微波器件的制备设计等提供基本的理论与数值仿真分析的框架与方法

磁电复合材料以应变为媒介的磁电耦合机制使得其具备静电场可控的磁化，因此具备独特的通过外电场控制铁磁共振（FMR）频率飘移的能力。可以用于设计无线电和雷达系统中具有新的可调特性的分立式器件，从而给传统的微波元件增加新的功能。也可以形成一个全新的、频带可调的、完整的微波组件和电路家族。对这种具有高可调FMR频率的磁电复合材料及可调微波器件的研究，有可能极大地改变军用射频/微波无线电和雷达的设计方法，同时也将大大提高我国电子行业的竞争力。本项目针对磁电可调微波器件制备、设计、应用中所涉及的多场耦合、微波磁电效应机理等关键力学问题开展研究，取得了丰富的研究成果。具体包括：1，系统的研究了预应力、温度场、磁场共同作用下的非线性磁电耦合效应，建立起了多场耦合下非线性磁电效应的理论模型。发现温度较小施加拉应力可以有效的降低达到最大磁电效应时偏磁场；而通过施加较大的压应力可以有效地抵制温度导致磁电系数的剧烈波动。该研究部分结果发表到2013年Smart Materials and Structure上，目前该论文入选该刊“Most cited articles in 2013”。2：首次建立起多物理场下磁电复合材料的非线性谐振机械损耗模型。之后，进一步建立起考虑非线性机械损耗的能很好的解释实验发现的谐振磁电双峰现象的谐振磁电耦合系数模型。并且发现选取合适的预应力可以调控磁电双峰曲线上的两个峰和相应的谐振频率，这意味着可以通过应力工程来调控磁电耦合效应实现巨磁电耦合。3：建立起以应力为媒介的外电场调节磁电层合结构铁磁共振频率漂移的显式理论模型。预测出在同样的外电场作用下，当磁场由平行变为垂直时，铁磁共振频率漂移方向会相反的实验现象。由模型给出的等效电调因子可以简化磁电复合材料在可调微波器件中的设计应用。4：建立起直导带、耦合带、对T型和倒L型四类经典的磁电双可调微波原型器件的电磁场仿真技术与集总电路模型。采用该模型可以克服通常的电磁场仿真计算存在的计算量繁重耗时的毛病，极大的提高仿真效率。在此基础上，开展了各类新型磁电微波器件的设计研发。目前，项目研究成果已经发表SCI收录论文23篇，影响因子2以上论文10篇，授权发明专利3项，培养毕业研究生5人。