高壓功率放大器驅動機械天線的全頻段輻射性能測試系統

　　實驗名稱：低頻通信機械天線性能測試

　　研究方向：傳統長波天線是通過金屬結構中的電諧振產生電磁輻射，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。機械天線則是利用機械振動帶動材料內部電偶極子或磁偶極子翻轉實現電磁輻射，能夠突破結構尺寸與輻射效率的限制實現長波天線的小型化設計。目前對于機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化等方面，對于機械天線信號傳輸系統的研究尚未深入開展。本實驗基于弛豫鐵電陶瓷材料構建機械天線通信系統，在實際通信系統中探究所研制機械天線的性能從而進行深度的優化。

　　實驗目的：為機械天線系統發射單元和接收單元進行性能測試，對壓電機械天線的電磁輻射極性理論分析，進而對機械天線系統發射單元進行設計和優化。測試的不同材料和尺寸壓電機械天線的阻抗和電容曲線，選擇最佳的機械天線設計材料和結構尺寸。搭建壓電機械天線發射系統，設計和優化機械天線系統放大和饋電方式，提出的機械天線通信方案。

　　測試設備：函數信號發生器、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：信號發射機中，發射機與天線之間需要進行連接，此連接處即為天線饋電在整個發射機系統中是至關重要的一部分。在機械天線發射系統中亦是如此，和電天線不同，壓電機械天線作為一種壓電陶瓷，天線饋電對壓電機械天線自身的諧振特性不影響，即壓電機械天線的固有諧振特性只和天線本身的材料、結構等性質有關，天線饋電只會影響壓電機械天線的輸入功率和輻射效率。

　　為了優化機械天線饋電系統，提高壓電機械天線的輸入功率和輻射效率。選擇環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，接收頻段9kHz-3GHz，最大分析帶寬1MHz。

　　根據圖3-13所示的壓電機械天線測試系統，測試和優化天線饋電對機械天線射性能的影響。實驗條件設置為系統發射和接收端的距離是1米，信號發生器輸出30kHz-1MHz的連續正弦信號信號峰峰值5Vp-p，放大器放大倍數為9倍，即輸入電壓為45Vp-p。半導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、易于操作等優點，可直接將饋電探針末端放置在壓電機械天線表面，探針另一端接放大器輸出端。機械天線底面放置銅板，使機械天線底面電極接地。因為壓電陶瓷在工作過程中，發生微小的位置偏移就會對振動產生影響，導致壓電機械天線的性能變差，因此，設計了饋電臺。其中塑料夾具和彈簧對壓電陶瓷進行固定，饋電臺的金屬片中間夾陶瓷片，使用電導率高的銅或者銀來充當饋電金屬，下表面用來接地，饋電臺上表面用高溫導線連接到饋電臺背板，方便連接功放輸出端。

　　實驗結果：基于壓電機械天線測試系統，測試不同材料和不同尺寸的壓電機械天線電磁輻射性能，驗證壓電機械天線材料和結構設計的可行性。

　　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，環形天線接收到鐵電陶瓷的發射功率好于P5-H，因此，鐵電陶瓷有更好的電磁輻射性能。當壓電機械天線的直徑a為7.5mm時，由圖3-18(b)可知，隨著機械天線厚度b的增大，壓電機械天線測試系統接收端接收功率逐漸減小，說明壓電機械天線的厚度越薄，天線的輻射效率越高。同理，保持機械天線的厚度b=2mm，當機械天線的直徑a分別為7.5mm、15mm、30mm時，機械天線通信系統的接收端接收功率隨著a的增大逐漸變強。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，當壓電機械天線的輻射頻率超過761kHz時，尺寸為a=15mm，b=2mm的鐵電陶瓷有強的電磁輻射。由圖3-10(b)中的阻抗圖可知，當頻率較大時，尺寸為a=15mm，b=2mm的鐵電陶瓷的阻抗更接近50Ω，因此，當頻率超過721kHz時輻射更強。綜上可知，當鐵電陶瓷的尺寸為a=30mm，b=1mm時，壓電機械天線在30kHz-721kHz的頻帶內輻射效率越高，通信性能越強;當鐵電陶瓷的尺寸為a=15mm，b=2mm時，壓電機械天線在30kHz-761kHz的頻帶內輻射效率越高，通信性能越強。

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