高压功率放大器驱动机械天线的全频段辐射性能测试系统

实验名称：低频通信机械天线性能测试

研究方向：传统长波天线是通过金属结构中的电谐振产生电磁辐射，因此通常需要成百上千米的尺寸来满足工作频率的要求，不利于安装和维护。机械天线则是利用机械振动带动材料内部电偶极子或磁偶极子翻转实现电磁辐射，能够突破结构尺寸与辐射效率的限制实现长波天线的小型化设计。目前对于机械天线的研究主要集中于天线辐射效率和传输距离等单体天线电磁性能优化等方面，对于机械天线信号传输系统的研究尚未深入开展。本实验基于弛豫铁电陶瓷材料构建机械天线通信系统，在实际通信系统中探究所研制机械天线的性能从而进行深度的优化。

实验目的：为机械天线系统发射单元和接收单元进行性能测试，对压电机械天线的电磁辐射极性理论分析，进而对机械天线系统发射单元进行设计和优化。测试的不同材料和尺寸压电机械天线的阻抗和电容曲线，选择最佳的机械天线设计材料和结构尺寸。搭建压电机械天线发射系统，设计和优化机械天线系统放大和馈电方式，提出最优的机械天线通信方案。

测试设备：函数信号发生器、压电陶瓷、电流探头、功率放大器、示波器、接收天线、频谱仪等；

实验过程：信号发射机中，发射机与天线之间需要进行连接，此连接处即为天线馈电在整个发射机系统中是至关重要的一部分。在机械天线发射系统中亦是如此，和电天线不同，压电机械天线作为一种压电陶瓷，天线馈电对压电机械天线自身的谐振特性不影响，即压电机械天线的固有谐振特性只和天线本身的材料、结构等性质有关，天线馈电只会影响压电机械天线的输入功率和辐射效率。

为了优化机械天线馈电系统，提高压电机械天线的输入功率和辐射效率。选择环形天线作为接收天线，天线工作频段为20Hz-1MHz，直径50cm。为了更直观显示接收信号幅度，使用频谱仪作为接收机，接收频段9kHz-3GHz，最大分析带宽1MHz。

根据图3-13所示的压电机械天线测试系统，测试和优化天线馈电对机械天线射性能的影响。实验条件设置为系统发射和接收端的距离是1米，信号发生器输出30kHz-1MHz的连续正弦信号信号峰峰值5Vp-p，放大器放大倍数为9倍，即输入电压为45Vp-p。半导体馈电探针常用于测量较弱的电流和电压信号，具有高灵敏度、低噪声、易于操作等优点，可直接将馈电探针末端放置在压电机械天线表面，探针另一端接放大器输出端。机械天线底面放置铜板，使机械天线底面电极接地。因为压电陶瓷在工作过程中，发生微小的位置偏移就会对振动产生影响，导致压电机械天线的性能变差，因此，设计了馈电台。其中塑料夹具和弹簧对压电陶瓷进行固定，馈电台的金属片中间夹陶瓷片，使用电导率高的铜或者银来充当馈电金属，下表面用来接地，馈电台上表面用高温导线连接到馈电台背板，方便连接功放输出端。

实验结果：基于压电机械天线测试系统，测试不同材料和不同尺寸的压电机械天线电磁辐射性能，验证压电机械天线材料和结构设计的可行性。

测试直径a-15mm，厚度b=2mm的P5-H和铁电陶瓷在30kHz-1MHz时的接收功率曲线。图3-18是环形天线SAS-565L在频率30kHz-1MHz之间接收到的电磁波信号功率。显然，环形天线接收到铁电陶瓷的发射功率好于P5-H，因此，铁电陶瓷有更好的电磁辐射性能。当压电机械天线的直径a为7.5mm时，由图3-18(b)可知，随着机械天线厚度b的增大，压电机械天线测试系统接收端接收功率逐渐减小，说明压电机械天线的厚度越薄，天线的辐射效率越高。同理，保持机械天线的厚度b=2mm，当机械天线的直径a分别为7.5mm、15mm、30mm时，机械天线通信系统的接收端接收功率随着a的增大逐渐变强。作为对比，将铁电陶瓷尺寸为a=15mm，b=2mm时接收端的接收功率曲线也放在图3-18(c)。由图3-18(c)可知，当压电机械天线的辐射频率超过761kHz时，尺寸为a=15mm，b=2mm的铁电陶瓷有最强的电磁辐射。由图3-10(b)中的阻抗图可知，当频率较大时，尺寸为a=15mm，b=2mm的铁电陶瓷的阻抗更接近50Ω，因此，当频率超过721kHz时辐射更强。综上可知，当铁电陶瓷的尺寸为a=30mm，b=1mm时，压电机械天线在30kHz-721kHz的频带内辐射效率越高，通信性能越强;当铁电陶瓷的尺寸为a=15mm，b=2mm时，压电机械天线在30kHz-761kHz的频带内辐射效率越高，通信性能越强。

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图：ATA-4014C高压功率放大器指标参数

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审核编辑 黄宇