高压放大器在声波谐振电小天线收发测试系统中的应用

实验名称：高压放大器在声波谐振电小天线收发测试系统中的应用

研究方向：信号传输

测试目的：

声波谐振电小天线颠覆了传统电小天线以电磁波谐振作为理论基础的天线发射和接收模式，它借助声波谐振实现电磁信号的辐射或接收。因为同频的声波波长远小于电磁波波长，声波谐振电小天线的理论尺寸是电磁波谐振电小天线的百万分之一，这对于天线小型化具有重大意义。声波谐振电小天线主要利用工作在声波谐振频点的磁电耦合材料的电-声（谐振）-磁的耦合特性。多相磁电复合材料在声波谐振频点具有高磁电耦合系数，是理想的应用材料。

为了深入理解声波谐振电小天线基本原理并验证其可行性，本课题从磁电复合材料的材料选择和结构设计等角度出发，开展了kHz、MHz和GHz下工作的声波谐振电小天线理论模型研究，并实验制备了电小天线样品，通过性能测试，证实了方案的可行性。

测试设备：ATA-2031高压放大器、信号发生器、示波器、高斯计、计算机。

实验过程：

图：正磁电耦合系统的结构图

信号发生器产生交流信号施加在调制线圈上得到一个交变的磁场，将此交变磁场信号作为样品输入信号。在磁电复合材料获得这个交变磁场的同时，外加一个直流的扫描磁场，而这个扫描磁场大小由直流电源控制，由高斯计测量反馈，能较精确的控制扫描磁场的大小和变化。最后将调制线圈中的交变磁场信号，扫描磁场信号和磁电复合材料得到交变电压信号通过示波器计算机等部件，得出磁电复合材料的性能参数。由于在高频下调制线圈感抗较大，通常会在信号发生器与调制线圈之间加一个功率放大器。该系统主要包括三个模块，即：交流磁场施加模块、直流磁场施加和检测模块和交流信号检测模块。

图：线圈内部对应平面的磁场分布情况

为了给样品施加一定区域的均匀磁场，同时磁场强度不小于1Oe（设计磁场频率范围为dc-100kHz），选用的交流磁场产生线圈为特殊设计的小亥姆霍兹线圈，结构如上图所示。简要介绍如下：为了在线圈中部有φ20mm*50mm的均匀圆柱磁场区域来为样品提供交流磁场。选择了最大输出电压300Vp-p（±150Vp），最大输出120mAp的高压放大器，计算了线圈的不同匝数和尺寸亥姆霍兹线圈的阻抗值。通过调整匝数和尺寸的变化，使总阻抗基本保持不变，但在该电压放大器的激励下能获得的一定强度的均匀磁场区域越大越好。

声波谐振电小天线的发射性能测试模型图和实物图如下图所示。首先利用直流偏置线圈对天线样品施加偏置磁场，然后对被测天线样品（发射天线）施加交变电压激励，最后在一定距离内使用示波器拾取接收线圈（接收天线）产生的感应电压。特别的，当将天线样品置于接收线圈中间的时候，等价于检测极近距离天线样品发射性能。

图：天线发射性能测试：（a）测试方案，（b）实物图

实验结果：

图：近场方向图的测试：（a）方向极化模型图，（b）方向极化模型图，（c）实物图

设计和搭建了声波谐振电小天线近场方向图测试系统，声波谐振电小天线发射近场方向图的测试模型图和实物图如上图所示。选用的设备与天线接收性能测试系统一致。首先利用直流偏置线圈对天线样品施加偏置磁场，然后将小亥姆霍兹线圈作为发射线圈，不同朝向的线圈（始终指向样品称为方向（a），始终垂直样品称为方向（b））在固定距离为500mm处绕着天线样品旋转，再对天线样品施加交变磁场激励，最后使用示波拾取不同角度旋转（0-360°）时被测天线样品（接收天线）的感应电压，即可得到天线样品接收天线的近场方向图。

安泰ATA-2031高压放大器：

图：ATA-2031高压放大器指标参数

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审核编辑黄宇