實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：高壓放大器在聲波諧振電小天線(xiàn)收發(fā)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

研究方向：信號(hào)傳輸

測(cè)試目的：

聲波諧振電小天線(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)電小天線(xiàn)以電磁波諧振作為理論基礎(chǔ)的天線(xiàn)發(fā)射和接收模式，它借助聲波諧振實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的輻射或接收。因?yàn)橥l的聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)，聲波諧振電小天線(xiàn)的理論尺寸是電磁波諧振電小天線(xiàn)的百萬(wàn)分之一，這對(duì)于天線(xiàn)小型化具有重大意義。聲波諧振電小天線(xiàn)主要利用工作在聲波諧振頻點(diǎn)的磁電耦合材料的電-聲（諧振）-磁的耦合特性。多相磁電復(fù)合材料在聲波諧振頻點(diǎn)具有高磁電耦合系數(shù)，是理想的應(yīng)用材料。

為了深入理解聲波諧振電小天線(xiàn)基本原理并驗(yàn)證其可行性，本課題從磁電復(fù)合材料的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，開(kāi)展了kHz、MHz和GHz下工作的聲波諧振電小天線(xiàn)理論模型研究，并實(shí)驗(yàn)制備了電小天線(xiàn)樣品，通過(guò)性能測(cè)試，證實(shí)了方案的可行性。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2031高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、高斯計(jì)、計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：正磁電耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流信號(hào)施加在調(diào)制線(xiàn)圈上得到一個(gè)交變的磁場(chǎng)，將此交變磁場(chǎng)信號(hào)作為樣品輸入信號(hào)。在磁電復(fù)合材料獲得這個(gè)交變磁場(chǎng)的同時(shí)，外加一個(gè)直流的掃描磁場(chǎng)，而這個(gè)掃描磁場(chǎng)大小由直流電源控制，由高斯計(jì)測(cè)量反饋，能較精確的控制掃描磁場(chǎng)的大小和變化。最后將調(diào)制線(xiàn)圈中的交變磁場(chǎng)信號(hào)，掃描磁場(chǎng)信號(hào)和磁電復(fù)合材料得到交變電壓信號(hào)通過(guò)示波器計(jì)算機(jī)等部件，得出磁電復(fù)合材料的性能參數(shù)。由于在高頻下調(diào)制線(xiàn)圈感抗較大，通常會(huì)在信號(hào)發(fā)生器與調(diào)制線(xiàn)圈之間加一個(gè)功率放大器。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊，即：交流磁場(chǎng)施加模塊、直流磁場(chǎng)施加和檢測(cè)模塊和交流信號(hào)檢測(cè)模塊。

圖：線(xiàn)圈內(nèi)部對(duì)應(yīng)平面的磁場(chǎng)分布情況

為了給樣品施加一定區(qū)域的均勻磁場(chǎng)，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度不小于1Oe（設(shè)計(jì)磁場(chǎng)頻率范圍為dc-100kHz），選用的交流磁場(chǎng)產(chǎn)生線(xiàn)圈為特殊設(shè)計(jì)的小亥姆霍茲線(xiàn)圈，結(jié)構(gòu)如上圖所示。簡(jiǎn)要介紹如下：為了在線(xiàn)圈中部有φ20mm*50mm的均勻圓柱磁場(chǎng)區(qū)域來(lái)為樣品提供交流磁場(chǎng)。選擇了最大輸出電壓300Vp-p（±150Vp），最大輸出120mAp的高壓放大器，計(jì)算了線(xiàn)圈的不同匝數(shù)和尺寸亥姆霍茲線(xiàn)圈的阻抗值。通過(guò)調(diào)整匝數(shù)和尺寸的變化，使總阻抗基本保持不變，但在該電壓放大器的激勵(lì)下能獲得的一定強(qiáng)度的均勻磁場(chǎng)區(qū)域越大越好。

聲波諧振電小天線(xiàn)的發(fā)射性能測(cè)試模型圖和實(shí)物圖如下圖所示。首先利用直流偏置線(xiàn)圈對(duì)天線(xiàn)樣品施加偏置磁場(chǎng)，然后對(duì)被測(cè)天線(xiàn)樣品（發(fā)射天線(xiàn)）施加交變電壓激勵(lì)，最后在一定距離內(nèi)使用示波器拾取接收線(xiàn)圈（接收天線(xiàn)）產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。特別的，當(dāng)將天線(xiàn)樣品置于接收線(xiàn)圈中間的時(shí)候，等價(jià)于檢測(cè)極近距離天線(xiàn)樣品發(fā)射性能。

圖：天線(xiàn)發(fā)射性能測(cè)試：（a）測(cè)試方案，（b）實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：近場(chǎng)方向圖的測(cè)試：（a）方向極化模型圖，（b）方向極化模型圖，（c）實(shí)物圖

設(shè)計(jì)和搭建了聲波諧振電小天線(xiàn)近場(chǎng)方向圖測(cè)試系統(tǒng)，聲波諧振電小天線(xiàn)發(fā)射近場(chǎng)方向圖的測(cè)試模型圖和實(shí)物圖如上圖所示。選用的設(shè)備與天線(xiàn)接收性能測(cè)試系統(tǒng)一致。首先利用直流偏置線(xiàn)圈對(duì)天線(xiàn)樣品施加偏置磁場(chǎng)，然后將小亥姆霍茲線(xiàn)圈作為發(fā)射線(xiàn)圈，不同朝向的線(xiàn)圈（始終指向樣品稱(chēng)為方向（a），始終垂直樣品稱(chēng)為方向（b））在固定距離為500mm處繞著天線(xiàn)樣品旋轉(zhuǎn)，再對(duì)天線(xiàn)樣品施加交變磁場(chǎng)激勵(lì)，最后使用示波拾取不同角度旋轉(zhuǎn)（0-360°）時(shí)被測(cè)天線(xiàn)樣品（接收天線(xiàn)）的感應(yīng)電壓，即可得到天線(xiàn)樣品接收天線(xiàn)的近場(chǎng)方向圖。

安泰ATA-2031高壓放大器：

圖：ATA-2031高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線(xiàn)，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯黃宇