實驗名稱：高壓放大器在(zai)聲波(bo)諧振電小天線收發測試系統中的應用

　　研究方向：信號傳輸

　　測試目的(de)：

　　聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)電(dian)小天線顛(dian)覆(fu)了傳統(tong)電(dian)小天線以(yi)電(dian)磁(ci)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)作為(wei)理論基礎的(de)(de)天線發射(she)和接(jie)收模(mo)式，它借助聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)實現(xian)電(dian)磁(ci)信號的(de)(de)輻射(she)或接(jie)收。因為(wei)同(tong)頻的(de)(de)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)波(bo)(bo)長遠小于(yu)電(dian)磁(ci)波(bo)(bo)波(bo)(bo)長，聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)電(dian)小天線的(de)(de)理論尺寸是電(dian)磁(ci)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)電(dian)小天線的(de)(de)百萬分之一，這對于(yu)天線小型化具有重大意義。聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)電(dian)小天線主要(yao)利用(yong)工作在(zai)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)諧(xie)振(zhen)頻點(dian)的(de)(de)磁(ci)電(dian)耦合材料(liao)的(de)(de)電(dian)-聲（諧振）-磁的耦合特性。多相磁電復合材料在聲波諧振頻點具有高磁電耦合系數，是理想的應用材料。

　　為了深入理解聲波(bo)諧振電(dian)小天線基本(ben)原理并驗證其可行(xing)性(xing)，本(ben)課題從磁電(dian)復(fu)合材(cai)料的材(cai)料選擇和結構(gou)設計等角(jiao)度出發，開展了kHz、MHz和GHz下工作的聲波諧振電小天線理論模型研究，并實驗制備了電小天線樣品，通過性能測試，證實了方案的可行性。

　　測試設備：ATA-2031高壓放大器、信號發生器、示波器、高斯計、計算機(ji)。

　　實驗過程：

圖：正磁電(dian)耦合(he)系統的結(jie)構圖

　　信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)發生器(qi)產(chan)生交(jiao)(jiao)(jiao)流信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)施加在調(diao)(diao)(diao)制線(xian)圈(quan)(quan)上得到一個交(jiao)(jiao)(jiao)變(bian)(bian)的(de)磁場(chang)(chang)，將此交(jiao)(jiao)(jiao)變(bian)(bian)磁場(chang)(chang)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)作為樣品輸入信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)。在磁電(dian)(dian)復合(he)(he)材(cai)料(liao)獲得這(zhe)個交(jiao)(jiao)(jiao)變(bian)(bian)磁場(chang)(chang)的(de)同時，外加一個直(zhi)流的(de)掃描磁場(chang)(chang)，而(er)這(zhe)個掃描磁場(chang)(chang)大(da)小(xiao)(xiao)由(you)直(zhi)流電(dian)(dian)源(yuan)控(kong)制，由(you)高斯(si)計(ji)測(ce)量反(fan)饋，能(neng)較精確的(de)控(kong)制掃描磁場(chang)(chang)的(de)大(da)小(xiao)(xiao)和變(bian)(bian)化。最后(hou)將調(diao)(diao)(diao)制線(xian)圈(quan)(quan)中的(de)交(jiao)(jiao)(jiao)變(bian)(bian)磁場(chang)(chang)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)，掃描磁場(chang)(chang)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)和磁電(dian)(dian)復合(he)(he)材(cai)料(liao)得到交(jiao)(jiao)(jiao)變(bian)(bian)電(dian)(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)通過(guo)示波器(qi)計(ji)算機等部(bu)件，得出磁電(dian)(dian)復合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)性能(neng)參數。由(you)于在高頻下調(diao)(diao)(diao)制線(xian)圈(quan)(quan)感抗較大(da)，通常(chang)會在信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)發生器(qi)與調(diao)(diao)(diao)制線(xian)圈(quan)(quan)之間加一個功率放大(da)器(qi)。該系統主要包括三個模(mo)塊(kuai)，即：交(jiao)(jiao)(jiao)流磁場(chang)(chang)施加模(mo)塊(kuai)、直(zhi)流磁場(chang)(chang)施加和檢測(ce)模(mo)塊(kuai)和交(jiao)(jiao)(jiao)流信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)檢測(ce)模(mo)塊(kuai)。

圖：線圈內(nei)部對應平面的磁場分布情況(kuang)

　　為了給樣(yang)品施加(jia)一定區(qu)域的均(jun)勻磁場，同(tong)時磁場強度不小于1Oe（設計磁場頻率范圍為dc-100kHz），選用的交流磁場產生線圈為特殊設計的小亥姆霍茲線圈，結構如上圖所示。簡要介紹如下：為了在線圈中部有φ20mm*50mm的均勻圓柱磁場區域來為樣品提供交流磁場。選擇了最大輸出電壓300Vp-p（±150Vp），最大輸出120mAp的高壓放大器，計算了線圈的不同匝數和尺寸亥姆霍茲線圈的阻抗值。通過調整匝數和尺寸的變化，使總阻抗基本保持不變，但在該電壓放大器的激勵下能獲得的一定強度的均勻磁場區域越大越好。

　　聲波(bo)諧(xie)振電小天(tian)線(xian)的(de)(de)發(fa)(fa)射(she)性能測試模型圖(tu)和實物圖(tu)如下圖(tu)所示。首先(xian)利用直(zhi)流偏置(zhi)(zhi)線(xian)圈對(dui)天(tian)線(xian)樣(yang)品施加偏置(zhi)(zhi)磁(ci)場，然(ran)后對(dui)被測天(tian)線(xian)樣(yang)品（發(fa)(fa)射(she)天(tian)線(xian)）施加交變電壓激勵，最(zui)后在一(yi)定距離內使用示波(bo)器拾取(qu)接(jie)收(shou)線(xian)圈（接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)）產(chan)生的(de)(de)感(gan)應電壓。特別(bie)的(de)(de)，當將天(tian)線(xian)樣(yang)品置(zhi)(zhi)于(yu)接(jie)收(shou)線(xian)圈中(zhong)間的(de)(de)時候(hou)，等價于(yu)檢測極近距離天(tian)線(xian)樣(yang)品發(fa)(fa)射(she)性能。

圖(tu)：天(tian)線發射性能測試：（a）測試方案，（b）實物圖

　　實驗結果：

圖(tu)：近(jin)場方向圖(tu)的測試：（a）方向極化模型圖，（b）方向極化模型圖，（c）實物圖

　　設計和(he)搭建了(le)聲波諧振電(dian)小天線近(jin)場(chang)(chang)方向圖(tu)測試(shi)系(xi)(xi)統，聲波諧振電(dian)小天線發射近(jin)場(chang)(chang)方向圖(tu)的(de)測試(shi)模型圖(tu)和(he)實(shi)物(wu)圖(tu)如上圖(tu)所示。選(xuan)用的(de)設備與天線接收(shou)性能測試(shi)系(xi)(xi)統一致。首先利用直流偏置(zhi)(zhi)線圈(quan)對天線樣(yang)品施加偏置(zhi)(zhi)磁(ci)場(chang)(chang)，然后將小亥姆霍(huo)茲(zi)線圈(quan)作為發射線圈(quan)，不同朝向的(de)線圈(quan)（始終指向樣(yang)品稱為方向（a），始終垂直樣品稱為方向（b））在固定距離為500mm處繞著天線樣品旋轉，再對天線樣品施加交變磁場激勵，最后使用示波拾取不同角度旋轉（0-360°）時被測天線樣品（接收天線）的感應電壓，即可得到天線樣品接收天線的近場方向圖。

　　安泰(tai)ATA-2031高壓放大器：

圖：ATA-2031高壓放大器指標參數

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　　本文實驗案例參(can)考自知網論文《基于磁電復合材(cai)料的聲波諧振電小天線設計驗證(zheng)及薄膜材(cai)料制備(bei)》