實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：低頻通信機(jī)械天線(xiàn)性能測(cè)試

　　研究方向：傳統(tǒng)長(zhǎng)波天線(xiàn)是通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)中的電諧振產(chǎn)生電磁輻射，因此通常需要成百上千米的尺寸來(lái)滿(mǎn)足工作頻率的要求，不利于安裝和維護(hù)。機(jī)械天線(xiàn)則是利用機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)材料內(nèi)部電偶極子或磁偶極子翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電磁輻射，能夠突破結(jié)構(gòu)尺寸與輻射效率的限制實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)。目前對(duì)于機(jī)械天線(xiàn)的研究主要集中于天線(xiàn)輻射效率和傳輸距離等單體天線(xiàn)電磁性能優(yōu)化等方面，對(duì)于機(jī)械天線(xiàn)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的研究尚未深入開(kāi)展。本實(shí)驗(yàn)基于弛豫鐵電陶瓷材料構(gòu)建機(jī)械天線(xiàn)通信系統(tǒng)，在實(shí)際通信系統(tǒng)中探究所研制機(jī)械天線(xiàn)的性能從而進(jìn)行深度的優(yōu)化。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>為機(jī)械天線(xiàn)系統(tǒng)發(fā)射單元和接收單元進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)壓電機(jī)械天線(xiàn)的電磁輻射極性理論分析，進(jìn)而對(duì)機(jī)械天線(xiàn)系統(tǒng)發(fā)射單元進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。測(cè)試的不同材料和尺寸壓電機(jī)械天線(xiàn)的阻抗和電容曲線(xiàn)，選擇最佳的機(jī)械天線(xiàn)設(shè)計(jì)材料和結(jié)構(gòu)尺寸。搭建壓電機(jī)械天線(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)械天線(xiàn)系統(tǒng)放大和饋電方式，提出最優(yōu)的機(jī)械天線(xiàn)通信方案。

　　測(cè)試設(shè)備：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、壓電陶瓷、電流探頭、功率放大器、示波器、接收天線(xiàn)、頻譜儀等；

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：信號(hào)發(fā)射機(jī)中，發(fā)射機(jī)與天線(xiàn)之間需要進(jìn)行連接，此連接處即為天線(xiàn)饋電在整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中是至關(guān)重要的一部分。在機(jī)械天線(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)中亦是如此，和電天線(xiàn)不同，壓電機(jī)械天線(xiàn)作為一種壓電陶瓷，天線(xiàn)饋電對(duì)壓電機(jī)械天線(xiàn)自身的諧振特性不影響，即壓電機(jī)械天線(xiàn)的固有諧振特性只和天線(xiàn)本身的材料、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)有關(guān)，天線(xiàn)饋電只會(huì)影響壓電機(jī)械天線(xiàn)的輸入功率和輻射效率。

　　為了優(yōu)化機(jī)械天線(xiàn)饋電系統(tǒng)，提高壓電機(jī)械天線(xiàn)的輸入功率和輻射效率。選擇環(huán)形天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)，天線(xiàn)工作頻段為20Hz-1MHz，直徑50cm。為了更直觀顯示接收信號(hào)幅度，使用頻譜儀作為接收機(jī)，接收頻段9kHz-3GHz，最大分析帶寬1MHz。

　　根據(jù)圖3-13所示的壓電機(jī)械天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試和優(yōu)化天線(xiàn)饋電對(duì)機(jī)械天線(xiàn)射性能的影響。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為系統(tǒng)發(fā)射和接收端的距離是1米，信號(hào)發(fā)生器輸出30kHz-1MHz的連續(xù)正弦信號(hào)信號(hào)峰峰值5Vp-p，放大器放大倍數(shù)為9倍，即輸入電壓為45Vp-p。半導(dǎo)體饋電探針常用于測(cè)量較弱的電流和電壓信號(hào)，具有高靈敏度、低噪聲、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，可直接將饋電探針末端放置在壓電機(jī)械天線(xiàn)表面，探針另一端接放大器輸出端。機(jī)械天線(xiàn)底面放置銅板，使機(jī)械天線(xiàn)底面電極接地。因?yàn)閴弘娞沾稍诠ぷ鬟^(guò)程中，發(fā)生微小的位置偏移就會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致壓電機(jī)械天線(xiàn)的性能變差，因此，設(shè)計(jì)了饋電臺(tái)。其中塑料夾具和彈簧對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行固定，饋電臺(tái)的金屬片中間夾陶瓷片，使用電導(dǎo)率高的銅或者銀來(lái)充當(dāng)饋電金屬，下表面用來(lái)接地，饋電臺(tái)上表面用高溫導(dǎo)線(xiàn)連接到饋電臺(tái)背板，方便連接功放輸出端。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：基于壓電機(jī)械天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試不同材料和不同尺寸的壓電機(jī)械天線(xiàn)電磁輻射性能，驗(yàn)證壓電機(jī)械天線(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

　　測(cè)試直徑a-15mm，厚度b=2mm的P5-H和鐵電陶瓷在30kHz-1MHz時(shí)的接收功率曲線(xiàn)。圖3-18是環(huán)形天線(xiàn)SAS-565L在頻率30kHz-1MHz之間接收到的電磁波信號(hào)功率。顯然，環(huán)形天線(xiàn)接收到鐵電陶瓷的發(fā)射功率好于P5-H，因此，鐵電陶瓷有更好的電磁輻射性能。當(dāng)壓電機(jī)械天線(xiàn)的直徑a為7.5mm時(shí)，由圖3-18(b)可知，隨著機(jī)械天線(xiàn)厚度b的增大，壓電機(jī)械天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)接收端接收功率逐漸減小，說(shuō)明壓電機(jī)械天線(xiàn)的厚度越薄，天線(xiàn)的輻射效率越高。同理，保持機(jī)械天線(xiàn)的厚度b=2mm，當(dāng)機(jī)械天線(xiàn)的直徑a分別為7.5mm、15mm、30mm時(shí)，機(jī)械天線(xiàn)通信系統(tǒng)的接收端接收功率隨著a的增大逐漸變強(qiáng)。作為對(duì)比，將鐵電陶瓷尺寸為a=15mm，b=2mm時(shí)接收端的接收功率曲線(xiàn)也放在圖3-18(c)。由圖3-18(c)可知，當(dāng)壓電機(jī)械天線(xiàn)的輻射頻率超過(guò)761kHz時(shí)，尺寸為a=15mm，b=2mm的鐵電陶瓷有最強(qiáng)的電磁輻射。由圖3-10(b)中的阻抗圖可知，當(dāng)頻率較大時(shí)，尺寸為a=15mm，b=2mm的鐵電陶瓷的阻抗更接近50Ω，因此，當(dāng)頻率超過(guò)721kHz時(shí)輻射更強(qiáng)。綜上可知，當(dāng)鐵電陶瓷的尺寸為a=30mm，b=1mm時(shí)，壓電機(jī)械天線(xiàn)在30kHz-721kHz的頻帶內(nèi)輻射效率越高，通信性能越強(qiáng);當(dāng)鐵電陶瓷的尺寸為a=15mm，b=2mm時(shí)，壓電機(jī)械天線(xiàn)在30kHz-761kHz的頻帶內(nèi)輻射效率越高，通信性能越強(qiáng)。

　　功率放大器推薦：ATA-4014C

　　圖：ATA-4014C高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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