高压放大器在磁机电天线影响因素及通信实验中的应用

实验名称：磁机电天线影响因素及通信实验

实验目的：基于前文建立的磁机电天线辐射机理与架构设计理论，验证相关理论与设计的正确性、可行性及有效性，明确输入频率、辐射传播方向性、激励电压、通信距离等关键因素对天线辐射性能的影响规律以确定最优工作参数，通过异阶可控弯曲谐振频率实现2FSK直接调制的甚低频通信并测试调制速率、码速率等核心指标，同时与同尺寸铜环电小天线进行对比，充分凸显所研制磁机电天线在小型化前提下辐射效率与带宽效率的显著优势。

测试设备：高压放大器(Aigtek的ATA-2022H)、磁致伸缩材料、压电材料PZT-5、函数信号发生器、示波器、磁环接收天线、上位机、发射天线。

实验过程：搭建了包含30mm×10mm×3mm非对称双层磁电复合发射天线、正方形磁环接收天线及函数信号发生器、高压放大器等设备的实验平台，先探究了输入频率、辐射方向性、激励电压、通信距离对辐射强度的影响规律，确定了天线谐振频率、最佳工作参数及磁感应强度随距离的衰减特性，随后利用一阶与二阶弯曲谐振频率通过2FSK直接调制实现了10米范围内100Hz调制速率、100Baud码速率的甚低频通信，最后与同尺寸铜环天线对比，证实该磁机电天线辐射效率高出3个数量级、带宽效率提高33倍，凸显了其小型化、高效率的优势。

图1：系统控制框图

图2：实验平台

实验结果：

1、确定了天线一阶弯曲谐振频率7388Hz、二阶弯曲谐振频率12410Hz，与理论值相对误差均小于0.5%，弯曲谐振模态展现低频率、高效率优势。

2、天线辐射方向性符合理想磁偶极子特性，yoz平面0°与180°方向辐射强度最大，近场和远场可分别用磁偶极子辐射场的三阶和一阶近似描述。

3、激励电压低于60V时，磁感应强度与电压呈线性关系，超过60V后因压电材料饱和，磁感应强度不再增强，实验值与理论模型近似一致。

4、磁感应强度随通信距离按三次方衰减，最远可在10m处检测到0.302pT的磁感应强度，经带通滤波后能有效提取有效信号。

5、基于一阶与二阶弯曲谐振频率实现2FSK直接调制，达到100Hz调制速率和100Baud码速率，时频域波形与控制信号变化趋势一致。

6、与同尺寸铜环电小天线相比，磁机电天线辐射效率高出3个数量级，带宽效率较同辐射品质因子的铜环天线提高33倍。

图3：磁机电天线调制通信图

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图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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