高壓放大器在聲波諧振電小天線收發測試系統中的應用

　　實驗名稱：高壓放大器在聲波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：

　　聲波諧振電小天線改變了傳統電小天線以電磁波諧振作為理論基礎的天線發射和接收模式，它借助聲波諧振實現電磁信號的輻射或接收。因為同頻的聲波波長遠小于電磁波波長，聲波諧振電小天線的理論尺寸是電磁波諧振電小天線的百萬分之一，這對于天線小型化具有重大意義。聲波諧振電小天線主要利用工作在聲波諧振頻點的磁電耦合材料的電-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。

　　為了深入理解聲波諧振電小天線基本原理并驗證其可行性，本課題從磁電復合材料的材料選擇和結構設計等角度出發，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。

　　實驗過程：

圖：正磁電耦合系統的結構圖

　　信號發生器產生交流信號施加在調制線圈上得到一個交變的磁場，將此交變磁場信號作為樣品輸入信號。在磁電復合材料獲得這個交變磁場的同時，外加一個直流的掃描磁場，而這個掃描磁場大小由直流電源控制，由高斯計測量反饋，能較精確的控制掃描磁場的大小和變化。最后將調制線圈中的交變磁場信號，掃描磁場信號和磁電復合材料得到交變電壓信號通過示波器計算機等部件，得出磁電復合材料的性能參數。由于在高頻下調制線圈感抗較大，通常會在信號發生器與調制線圈之間加一個功率放大器。該系統主要包括三個模塊，即：交流磁場施加模塊、直流磁場施加和檢測模塊和交流信號檢測模塊。

圖：線圈內部對應平面的磁場分布情況

　　為了給樣品施加一定區域的均勻磁場，同時磁場強度不小于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。

　　聲波諧振電小天線的發射性能測試模型圖和實物圖如下圖所示。首先利用直流偏置線圈對天線樣品施加偏置磁場，然后對被測天線樣品（發射天線）施加交變電壓激勵，最后在一定距離內使用示波器拾取接收線圈（接收天線）產生的感應電壓。特別的，當將天線樣品置于接收線圈中間的時候，等價于檢測極近距離天線樣品發射性能。

圖：天線發射性能測試：（a）測試方案，（b）實物圖

　　實驗結果：

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

　　設計和搭建了聲波諧振電小天線近場方向圖測試系統，聲波諧振電小天線發射近場方向圖的測試模型圖和實物圖如上圖所示。選用的設備與天線接收性能測試系統一致。首先利用直流偏置線圈對天線樣品施加偏置磁場，然后將小亥姆霍茲線圈作為發射線圈，不同朝向的線圈（始終指向樣品稱為方向（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ATA-2031高壓放大器：

圖：ATA-2031高壓放大器指標參數

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