實(shí)驗(yàn)名稱：磁電機(jī)械天線輻射性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：對(duì)稱式磁電機(jī)械天線的設(shè)計(jì)、多物理場(chǎng)耦合建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輻射性能驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>該實(shí)驗(yàn)聚焦于磁電天線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能優(yōu)化，通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證理論模型與仿真結(jié)果，并評(píng)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(fù)合結(jié)構(gòu)，完成了天線實(shí)物的制備，包括銅電極鋪設(shè)、環(huán)氧樹脂粘合及永磁偏置裝置的集成，確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性與可重復(fù)性。搭建了完整的測(cè)試系統(tǒng)，通過多組實(shí)驗(yàn)（諧振頻率測(cè)試、偏置磁場(chǎng)調(diào)控、驅(qū)動(dòng)電壓響應(yīng)、方向性分析、距離衰減規(guī)律、電感接入優(yōu)化及復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試）全面探究了磁電天線的輻射特性與傳輸性能。

　　測(cè)試設(shè)備：

　　1.天線制備設(shè)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(chǎng)）、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(yù)處理）。

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

　　2.發(fā)射端設(shè)備

　　信號(hào)源：雙通道任意波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

　　放大器：Aigtek的ATA-2022H雙通道高壓放大器

　　3.接收端設(shè)備

　　傳感器：三軸磁通門磁傳感器

　　數(shù)據(jù)采集：VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含模擬信號(hào)調(diào)理、采集、標(biāo)定功能）、上位機(jī)。

圖1信號(hào)發(fā)生器、功率放大器示意圖

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　1、根據(jù)磁電機(jī)械天線的輻射機(jī)理搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，由信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源輸出與天線諧振頻率相符的正弦激勵(lì)信號(hào)，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(dòng)傳導(dǎo)至磁化的磁致伸縮層，由此輻射出磁場(chǎng)信號(hào)。接收端采用三軸磁傳感器，經(jīng)過信息的存儲(chǔ)和后期處理得到信號(hào)的頻率與強(qiáng)度信息。

　　2、首先為更好地進(jìn)行激勵(lì)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(shí)，使其固化，偏置磁場(chǎng)由兩塊20mm×20mm×10mm的銣鐵硼永磁體塊提供，天線結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　3、使用3D打印技術(shù)制作天線的外殼，成分由白色光敏樹脂構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖5.3所示，其中的永磁體裝置可以進(jìn)行滑動(dòng)，通過左右移動(dòng)改變偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度。固定凹槽的結(jié)構(gòu)尺寸為15mm×20mm×5mm，與天線整體的側(cè)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(hù)天線設(shè)備，而且可以固定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件，提高多組實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

　　4、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器采用雙通道的任意波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。其型號(hào)為TektronixAFG1062，帶寬為60MHz；正弦波范圍為1uHz-60MHz；上/下時(shí)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?；诤瘮?shù)信號(hào)發(fā)生器的連續(xù)(Continuous)功能、調(diào)制(Mod)功能、掃頻(Sweep)功能，實(shí)現(xiàn)磁電機(jī)械天線的性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

　　5、接收系統(tǒng)主要包括三分量感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器、VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集控制軟件及配套設(shè)備，VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成模擬信號(hào)的調(diào)理、采集、標(biāo)定和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理等關(guān)鍵任務(wù)。VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)采集控制軟件通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)曲線查看等。工作頻率帶寬為0.1Hz–10kHz，具有1Hz時(shí)的靈敏度為0.1pT/Hz1/2，100Hz時(shí)的靈敏度為0.01pT/Hz1/2，平坦部分的轉(zhuǎn)換靈敏度為100mV/nT，實(shí)驗(yàn)框圖見圖3、實(shí)拍圖見圖4。

圖3磁電機(jī)械天線輻射性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖

圖4磁電機(jī)械天線輻射性能測(cè)試實(shí)拍圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　1.諧振頻率測(cè)試結(jié)果

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

　　2.偏置磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度隨永磁體距離先增后減，在永磁體距離天線6cm時(shí)達(dá)到最大值；超過6cm后，磁致伸縮層磁疇飽和，損耗增加，輻射強(qiáng)度下降。

　　3.驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試結(jié)果

　　在天線線性工作范圍內(nèi)（10V-110V），磁感應(yīng)強(qiáng)度與激勵(lì)電壓呈正比關(guān)系，驗(yàn)證了理論模型中“電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械應(yīng)變線性傳遞"的假設(shè)。

　　4.方向性測(cè)試結(jié)果

　　x-o-z平面（豎直面）：輻射方向圖對(duì)稱，0°和180°（天線長(zhǎng)度方向）磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離增加呈r?3衰減（近場(chǎng)理論規(guī)律），在60m處測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度為3.31×10?1?T，預(yù)計(jì)120m處強(qiáng)度約5×10?1?T。

　　6.電感影響測(cè)試結(jié)果

　　外接電感可顯著提升輻射強(qiáng)度：0.5mH（1.83倍）、0.9mH（1.89倍）、1.5mH（2.56倍），其中1.5mH為電感值；

　　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(fù)雜電磁環(huán)境測(cè)試結(jié)果

　　穿透三層混凝土后，三樓接收強(qiáng)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(hào)反射，驗(yàn)證了天線強(qiáng)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(biāo)參數(shù)

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