应用案例

　　实验名称：磁电机械天线辐射性能测试实验

　　研究方向：对称式磁电机械天线的设计、多物理场耦合建模、结构优化及辐射性能验证

　　实验目的：该实验聚焦于磁电天线的实验验证与性能优化，通过系统性实验设计验证理论模型与仿真结果，并评估其工程适用性。基于PZT-5H压电材料与Terfenol-D磁致伸缩材料的复合结构，完成了天线实物的制备，包括铜电极铺设、环氧树脂粘合及永磁偏置装置的集成，确保实验条件的稳定性与可重复性。搭建了完整的测试系统，通过多组实验（谐振频率测试、偏置磁场调控、驱动电压响应、方向性分析、距离衰减规律、电感接入优化及复杂环境适应性测试）全面探究了磁电天线的辐射特性与传输性能。

　　测试设备：

　　1.天线制备设备/材料

　　功能材料：PZT-5H压电陶瓷（135mm×20mm×5mm）、Terfenol-D磁致伸缩材料（120mm×20mm×5mm）、铷铁硼永磁体（20mm×20mm×10mm，提供偏置磁场）、环氧树脂AB胶（粘合功能层）、铜箔（制作电极）、银（Ag）电极层（压电材料预处理）。

　　加工设备：3D打印机（白色光敏树脂，制作天线保护壳）、真空环境设备（固化环氧树脂，避免气泡影响粘合）。

　　2.发射端设备

　　信号源：TektronixAFG1062双通道任意波形函数信号发生器（带宽60MHz，输出1uHz-60MHz正弦波，支持扫频/调制功能）。

　　放大器：Aigtek的ATA-2022H双通道高压放大器（增益0-60倍可调，最大输出电压200Vp-p，最大输出电流500mAp（>50Hz），用于放大信号源输出的低幅值信号）。

　　3.接收端设备

　　传感器：三轴磁通门磁传感器（灵敏度：1Hz时0.1pT/Hz¹/²，100Hz时0.01pT/Hz¹/²，转换灵敏度100mV/nT，检测带宽0.1Hz-10kHz，同步测量三维磁场）。

　　数据采集：VLF数据采集系统（含模拟信号调理、采集、标定功能）、上位机。

　　图1信号发生器、功率放大器示意图

　　实验过程：

　　1、根据磁电机械天线的辐射机理搭建实验测试平台，由信号发生器作为激励源输出与天线谐振频率相符的正弦激励信号，经由高压放大器放大，输入到压电材料中，经由中间环氧树脂层的过渡，将振动传导至磁化的磁致伸缩层，由此辐射出磁场信号。接收端采用三轴磁传感器，经过信息的存储和后期处理得到信号的频率与强度信息。

　　2、首先为更好地进行激励压电材料，将单面带胶的铜箔粘贴到压电材料的上表面和底面，然后环氧树脂胶以AB胶的形式混合后均匀地涂在压电和磁致伸缩材料的表面，除去溢出的多余胶水之后放入真空环境中12小时，使其完全固化，偏置磁场由两块20mm×20mm×10mm的铷铁硼永磁体块提供，天线结构图如图2所示。

　　图2天线结构示意图

　　3、使用3D打印技术制作天线的外壳，成分由白色光敏树脂构成，其结构图如图5.3所示，其中的永磁体装置可以进行滑动，通过左右移动改变偏置磁场的强度。固定凹槽的结构尺寸为15mm×20mm×5mm，与天线整体的侧面尺寸相同，将天线嵌入其中可起到固定的作用，故天线外壳不仅可以更好地保护天线设备，而且可以固定相关的实验条件，提高多组实验的准确度和长期实验结果的稳定性。

　　4、函数信号发生器采用双通道的任意波形函数信号发生器。其型号为TektronixAFG1062，带宽为60MHz；正弦波范围为1uHz-60MHz；上/下时间；锯齿波范围1uHz-2MHz；脉冲波范围1mHz-30MHz；采样率大小为300MS/s；垂直分辨率为14位。基于函数信号发生器的连续(Continuous)功能、调制(Mod)功能、扫频(Sweep)功能，实现磁电机械天线的性能实验测试。

　　5、接收系统主要包括三分量感应式磁场传感器、VLF数据采集系统、采集控制软件及配套设备，VLF数据采集系统负责完成模拟信号的调理、采集、标定和数据存储处理等关键任务。VLF数据采集系统上位机采集控制软件通过WiFi无线网络实现对VLF数据采集系统的采集控制及状态监视，其功能包括对VLF数据采集系统的网络配置、系统状态监视、参数配置、数据采集控制、实时曲线查看等。工作频率带宽为0.1Hz–10kHz，具有1Hz时的灵敏度为0.1pT/Hz1/2，100Hz时的灵敏度为0.01pT/Hz1/2，平坦部分的转换灵敏度为100mV/nT，实验框图见图3、实拍图见图4。

　　图3磁电机械天线辐射性能测试实验框图

　　图4磁电机械天线辐射性能测试实拍图

　　实验结果：

　　1.谐振频率测试结果

　　精扫5-6kHz区间，天线在5.3406kHz处出现磁感应强度峰值，与COMSOL仿真结果（5.34kHz）高度一致，偏差源于环氧树脂固化后的残余应力与刚度变化。

　　2.偏置磁场测试结果

　　磁感应强度随永磁体距离先增后减，在永磁体距离天线6cm时达到最大值（偏置磁场强度最优）；超过6cm后，磁致伸缩层磁畴饱和，损耗增加，辐射强度下降。

　　3.驱动电压测试结果

　　在天线线性工作范围内（10V-110V），磁感应强度与激励电压呈正比关系，验证了理论模型中“电场驱动机械应变线性传递”的假设。

　　4.方向性测试结果

　　x-o-z平面（竖直面）：辐射方向图对称，0°和180°（天线长度方向）磁感应强度最大，90°和270°最小，符合磁偶极子辐射模式；

　　x-o-y平面（水平面）：各角度磁感应强度基本一致，符合压电层电偶极子辐射的各向同性特征。

　　5.距离与辐射强度测试结果

　　磁感应强度随距离增加呈r⁻³衰减（近场理论规律），在60m处测得磁感应强度为3.31×10⁻¹⁴T，预计120m处强度约5×10⁻¹⁶T。

　　6.电感影响测试结果

　　外接电感可显著提升辐射强度：0.5mH（1.83倍）、0.9mH（1.89倍）、1.5mH（2.56倍），其中1.5mH为最优电感值；

　　谐振频率偏移：0.5mH/0.9mH向高频偏移（+2Hz），1.0mH/1.5mH向低频偏移（-1Hz/-5Hz），带宽均窄于无电感组。

　　7.复杂电磁环境测试结果

　　穿透三层混凝土后，三楼接收强度2.77×10⁻¹²T（衰减约20%），二楼2.19×10⁻¹²T，一楼1.97×10⁻¹²T，衰减主要源于混凝土吸收与信号反射，验证了天线强低频穿透能力与抗干扰性。

　　功率放大器推荐：ATA-2022B

　　图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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