實驗名稱：低頻通信機(jī)械天線性能測試

　　研究方向：傳統(tǒng)長波天線是通過金屬結(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滿足工作頻率的要求，不利于安裝和維護(hù)。機(jī)械天線則是利用機(jī)械振動帶動材料內(nèi)部電偶極子或磁偶極子翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)電磁輻射，能夠突破結(jié)構(gòu)尺寸與輻射效率的限制實現(xiàn)長波天線的小型化設(shè)計。目前對于機(jī)械天線的研究主要集中于天線輻射效率和傳輸距離等單體天線電磁性能優(yōu)化等方面，對于機(jī)械天線信號傳輸系統(tǒng)的研究尚未深入開展。本實驗基于弛豫鐵電陶瓷材料構(gòu)建機(jī)械天線通信系統(tǒng)，在實際通信系統(tǒng)中探究所研制機(jī)械天線的性能從而進(jìn)行深度的優(yōu)化。

　　實驗?zāi)康模?/strong>為機(jī)械天線系統(tǒng)發(fā)射單元和接收單元進(jìn)行性能測試，對壓電機(jī)械天線的電磁輻射極性理論分析，進(jìn)而對機(jī)械天線系統(tǒng)發(fā)射單元進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。測試的不同材料和尺寸壓電機(jī)械天線的阻抗和電容曲線，選擇最佳的機(jī)械天線設(shè)計材料和結(jié)構(gòu)尺寸。搭建壓電機(jī)械天線發(fā)射系統(tǒng)，設(shè)計和優(yōu)化機(jī)械天線系統(tǒng)放大和饋電方式，提出的機(jī)械天線通信方案。

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

　　實驗過程：信號發(fā)射機(jī)中，發(fā)射機(jī)與天線之間需要進(jìn)行連接，此連接處即為天線饋電在整個發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中是至關(guān)重要的一部分。在機(jī)械天線發(fā)射系統(tǒng)中亦是如此，和電天線不同，壓電機(jī)械天線作為一種壓電陶瓷，天線饋電對壓電機(jī)械天線自身的諧振特性不影響，即壓電機(jī)械天線的固有諧振特性只和天線本身的材料、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)有關(guān)，天線饋電只會影響壓電機(jī)械天線的輸入功率和輻射效率。

　　為了優(yōu)化機(jī)械天線饋電系統(tǒng)，提高壓電機(jī)械天線的輸入功率和輻射效率。選擇環(huán)形天線作為接收天線，天線工作頻段為20Hz-1MHz，直徑50cm。為了更直觀顯示接收信號幅度，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)械天線測試系統(tǒng)，測試和優(yōu)化天線饋電對機(jī)械天線射性能的影響。實驗條件設(shè)置為系統(tǒng)發(fā)射和接收端的距離是1米，信號發(fā)生器輸出30kHz-1MHz的連續(xù)正弦信號信號峰峰值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量較弱的電流和電壓信號，具有高靈敏度、低噪聲、易于操作等優(yōu)點，可直接將饋電探針末端放置在壓電機(jī)械天線表面，探針另一端接放大器輸出端。機(jī)械天線底面放置銅板，使機(jī)械天線底面電極接地。因為壓電陶瓷在工作過程中，發(fā)生微小的位置偏移就會對振動產(chǎn)生影響，導(dǎo)致壓電機(jī)械天線的性能變差，因此，設(shè)計了饋電臺。其中塑料夾具和彈簧對壓電陶瓷進(jìn)行固定，饋電臺的金屬片中間夾陶瓷片，使用電導(dǎo)率高的銅或者銀來充當(dāng)饋電金屬，下表面用來接地，饋電臺上表面用高溫導(dǎo)線連接到饋電臺背板，方便連接功放輸出端。

　　實驗結(jié)果：基于壓電機(jī)械天線測試系統(tǒng)，測試不同材料和不同尺寸的壓電機(jī)械天線電磁輻射性能，驗證壓電機(jī)械天線材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

　　測試直徑a-15mm，厚度b=2mm的P5-H和鐵電陶瓷在30kHz-1MHz時的接收功率曲線。圖3-18是環(huán)形天線SAS-565L在頻率30kHz-1MHz之間接收到的電磁波信號功率。顯然，環(huán)形天線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)械天線的直徑a為7.5mm時，由圖3-18(b)可知，隨著機(jī)械天線厚度b的增大，壓電機(jī)械天線測試系統(tǒng)接收端接收功率逐漸減小，說明壓電機(jī)械天線的厚度越薄，天線的輻射效率越高。同理，保持機(jī)械天線的厚度b=2mm，當(dāng)機(jī)械天線的直徑a分別為7.5mm、15mm、30mm時，機(jī)械天線通信系統(tǒng)的接收端接收功率隨著a的增大逐漸變強(qiáng)。作為對比，將鐵電陶瓷尺寸為a=15mm，b=2mm時接收端的接收功率曲線也放在圖3-18(c)。由圖3-18(c)可知，當(dāng)壓電機(jī)械天線的輻射頻率超過761kHz時，尺寸為a=15mm，b=2mm的鐵電陶瓷有強(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，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721kHz時輻射更強(qiáng)。綜上可知，當(dāng)鐵電陶瓷的尺寸為a=30mm，b=1mm時，壓電機(jī)械天線在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，壓電機(jī)械天線在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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