應用案例

　　實驗名稱：磁電機械天線輻射性能測試實驗

　　研究方向：對稱式磁電機械天線的設計、多物理場耦合建模、結構優(yōu)化及輻射性能驗證

　　實驗目的：該實驗聚焦于磁電天線的實驗驗證與性能優(yōu)化，通過系統(tǒng)性實驗設計驗證理論模型與仿真結果，并評估其工程適用性。基于PZT-5H壓電材料與Terfenol-D磁致伸縮材料的復合結構，完成了天線實物的制備，包括銅電極鋪設、環(huán)氧樹脂粘合及永磁偏置裝置的集成，確保實驗條件的穩(wěn)定性與可重復性。搭建了完整的測試系統(tǒng)，通過多組實驗（諧振頻率測試、偏置磁場調控、驅動電壓響應、方向性分析、距離衰減規(guī)律、電感接入優(yōu)化及復雜環(huán)境適應性測試）全面探究了磁電天線的輻射特性與傳輸性能。

　　測試設備：

　　1.天線制備設備/材料

　　功能材料：PZT-5H壓電陶瓷（135mm×20mm×5mm）、Terfenol-D磁致伸縮材料（120mm×20mm×5mm）、銣鐵硼永磁體（20mm×20mm×10mm，提供偏置磁場）、環(huán)氧樹脂AB膠（粘合功能層）、銅箔（制作電極）、銀（Ag）電極層（壓電材料預處理）。

　　加工設備：3D打印機（白色光敏樹脂，制作天線保護殼）、真空環(huán)境設備（固化環(huán)氧樹脂，避免氣泡影響粘合）。

　　2.發(fā)射端設備

　　信號源：TektronixAFG1062雙通道任意波形函數(shù)信號發(fā)生器（帶寬60MHz，輸出1uHz-60MHz正弦波，支持掃頻/調制功能）。

　　放大器：Aigtek的ATA-2022H雙通道高壓放大器（增益0-60倍可調，最大輸出電壓200Vp-p，最大輸出電流500mAp（>50Hz），用于放大信號源輸出的低幅值信號）。

　　3.接收端設備

　　傳感器：三軸磁通門磁傳感器（靈敏度：1Hz時0.1pT/Hz1/2，100Hz時0.01pT/Hz1/2，轉換靈敏度100mV/nT，檢測帶寬0.1Hz-10kHz，同步測量三維磁場）。

　　數(shù)據(jù)采集：VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含模擬信號調理、采集、標定功能）、上位機。

　　圖1信號發(fā)生器、功率放大器示意圖

　　實驗過程：

　　1、根據(jù)磁電機械天線的輻射機理搭建實驗測試平臺，由信號發(fā)生器作為激勵源輸出與天線諧振頻率相符的正弦激勵信號，經(jīng)由高壓放大器放大，輸入到壓電材料中，經(jīng)由中間環(huán)氧樹脂層的過渡，將振動傳導至磁化的磁致伸縮層，由此輻射出磁場信號。接收端采用三軸磁傳感器，經(jīng)過信息的存儲和后期處理得到信號的頻率與強度信息。

　　2、首先為更好地進行激勵壓電材料，將單面帶膠的銅箔粘貼到壓電材料的上表面和底面，然后環(huán)氧樹脂膠以AB膠的形式混合后均勻地涂在壓電和磁致伸縮材料的表面，除去溢出的多余膠水之后放入真空環(huán)境中12小時，使其完全固化，偏置磁場由兩塊20mm×20mm×10mm的銣鐵硼永磁體塊提供，天線結構圖如圖2所示。

　　圖2天線結構示意圖

　　3、使用3D打印技術制作天線的外殼，成分由白色光敏樹脂構成，其結構圖如圖5.3所示，其中的永磁體裝置可以進行滑動，通過左右移動改變偏置磁場的強度。固定凹槽的結構尺寸為15mm×20mm×5mm，與天線整體的側面尺寸相同，將天線嵌入其中可起到固定的作用，故天線外殼不僅可以更好地保護天線設備，而且可以固定相關的實驗條件，提高多組實驗的準確度和長期實驗結果的穩(wěn)定性。

　　4、函數(shù)信號發(fā)生器采用雙通道的任意波形函數(shù)信號發(fā)生器。其型號為TektronixAFG1062，帶寬為60MHz；正弦波范圍為1uHz-60MHz；上/下時間；鋸齒波范圍1uHz-2MHz；脈沖波范圍1mHz-30MHz；采樣率大小為300MS/s；垂直分辨率為14位。基于函數(shù)信號發(fā)生器的連續(xù)(Continuous)功能、調制(Mod)功能、掃頻(Sweep)功能，實現(xiàn)磁電機械天線的性能實驗測試。

　　5、接收系統(tǒng)主要包括三分量感應式磁場傳感器、VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集控制軟件及配套設備，VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責完成模擬信號的調理、采集、標定和數(shù)據(jù)存儲處理等關鍵任務。VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機采集控制軟件通過WiFi無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集控制及狀態(tài)監(jiān)視，其功能包括對VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡配置、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集控制、實時曲線查看等。工作頻率帶寬為0.1Hz–10kHz，具有1Hz時的靈敏度為0.1pT/Hz1/2，100Hz時的靈敏度為0.01pT/Hz1/2，平坦部分的轉換靈敏度為100mV/nT，實驗框圖見圖3、實拍圖見圖4。

　　圖3磁電機械天線輻射性能測試實驗框圖

　　圖4磁電機械天線輻射性能測試實拍圖

　　實驗結果：

　　1.諧振頻率測試結果

　　精掃5-6kHz區(qū)間，天線在5.3406kHz處出現(xiàn)磁感應強度峰值，與COMSOL仿真結果（5.34kHz）高度一致，偏差源于環(huán)氧樹脂固化后的殘余應力與剛度變化。

　　2.偏置磁場測試結果

　　磁感應強度隨永磁體距離先增后減，在永磁體距離天線6cm時達到最大值（偏置磁場強度最優(yōu)）；超過6cm后，磁致伸縮層磁疇飽和，損耗增加，輻射強度下降。

　　3.驅動電壓測試結果

　　在天線線性工作范圍內(nèi)（10V-110V），磁感應強度與激勵電壓呈正比關系，驗證了理論模型中“電場驅動機械應變線性傳遞”的假設。

　　4.方向性測試結果

　　x-o-z平面（豎直面）：輻射方向圖對稱，0°和180°（天線長度方向）磁感應強度最大，90°和270°最小，符合磁偶極子輻射模式；

　　x-o-y平面（水平面）：各角度磁感應強度基本一致，符合壓電層電偶極子輻射的各向同性特征。

　　5.距離與輻射強度測試結果

　　磁感應強度隨距離增加呈r?3衰減（近場理論規(guī)律），在60m處測得磁感應強度為3.31×10?1?T，預計120m處強度約5×10?1?T。

　　6.電感影響測試結果

　　外接電感可顯著提升輻射強度：0.5mH（1.83倍）、0.9mH（1.89倍）、1.5mH（2.56倍），其中1.5mH為最優(yōu)電感值；

　　諧振頻率偏移：0.5mH/0.9mH向高頻偏移（+2Hz），1.0mH/1.5mH向低頻偏移（-1Hz/-5Hz），帶寬均窄于無電感組。

　　7.復雜電磁環(huán)境測試結果

　　穿透三層混凝土后，三樓接收強度2.77×10?12T（衰減約20%），二樓2.19×10?12T，一樓1.97×10?12T，衰減主要源于混凝土吸收與信號反射，驗證了天線強低頻穿透能力與抗干擾性。

　　?功率放大器推薦：ATA-2022B

　　圖：ATA-2022B高壓放大器指標參數(shù)

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