測試設(shè)備：

1.天線制備設(shè)備/材料

功能材料：PZT-5H壓電陶瓷（135mm×20mm×5mm）、Terfenol-D磁致伸縮材料（120mm×20mm×5mm）、銣鐵硼永磁體（20mm×20mm×10mm，提供偏置磁場）、環(huán)氧樹脂AB膠（粘合功能層）、銅箔（制作電極）、銀（Ag）電極層（壓電材料預(yù)處理）。

加工設(shè)備：3D打印機(jī)（白色光敏樹脂，制作天線保護(hù)殼）、真空環(huán)境設(shè)備（固化環(huán)氧樹脂，避免氣泡影響粘合）。

2.發(fā)射端設(shè)備

信號源：雙通道任意波形函數(shù)信號發(fā)生器

放大器：Aigtek的ATA-2022H雙通道高壓放大器

3.接收端設(shè)備

傳感器：三軸磁通門磁傳感器

數(shù)據(jù)采集：VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含模擬信號調(diào)理、采集、標(biāo)定功能）、上位機(jī)。

圖1信號發(fā)生器、功率放大器示意圖

實(shí)驗(yàn)過程：

1、根據(jù)磁電機(jī)械天線的輻射機(jī)理搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，由信號發(fā)生器作為激勵源輸出與天線諧振頻率相符的正弦激勵信號，經(jīng)由高壓放大器放大，輸入到壓電材料中，經(jīng)由中間環(huán)氧樹脂層的過渡，將振動傳導(dǎo)至磁化的磁致伸縮層，由此輻射出磁場信號。接收端采用三軸磁傳感器，經(jīng)過信息的存儲和后期處理得到信號的頻率與強(qiáng)度信息。

2、首先為更好地進(jìn)行激勵壓電材料，將單面帶膠的銅箔粘貼到壓電材料的上表面和底面，然后環(huán)氧樹脂膠以AB膠的形式混合后均勻地涂在壓電和磁致伸縮材料的表面，除去溢出的多余膠水之后放入真空環(huán)境中12小時，使其完全固化，偏置磁場由兩塊20mm×20mm×10mm的銣鐵硼永磁體塊提供，天線結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2天線結(jié)構(gòu)示意圖

3、使用3D打印技術(shù)制作天線的外殼，成分由白色光敏樹脂構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖5.3所示，其中的永磁體裝置可以進(jìn)行滑動，通過左右移動改變偏置磁場的強(qiáng)度。固定凹槽的結(jié)構(gòu)尺寸為15mm×20mm×5mm，與天線整體的側(cè)面尺寸相同，將天線嵌入其中可起到固定的作用，故天線外殼不僅可以更好地保護(hù)天線設(shè)備，而且可以固定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件，提高多組實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和長期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

4、函數(shù)信號發(fā)生器采用雙通道的任意波形函數(shù)信號發(fā)生器。其型號為TektronixAFG1062，帶寬為60MHz；正弦波范圍為1uHz-60MHz；上/下時間；鋸齒波范圍1uHz-2MHz；脈沖波范圍1mHz-30MHz；采樣率大小為300MS/s；垂直分辨率為14位?；诤瘮?shù)信號發(fā)生器的連續(xù)(Continuous)功能、調(diào)制(Mod)功能、掃頻(Sweep)功能，實(shí)現(xiàn)磁電機(jī)械天線的性能實(shí)驗(yàn)測試。

5、接收系統(tǒng)主要包括三分量感應(yīng)式磁場傳感器、VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集控制軟件及配套設(shè)備，VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成模擬信號的調(diào)理、采集、標(biāo)定和數(shù)據(jù)存儲處理等關(guān)鍵任務(wù)。VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)采集控制軟件通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集控制及狀態(tài)監(jiān)視，其功能包括對VLF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集控制、實(shí)時曲線查看等。工作頻率帶寬為0.1Hz–10kHz，具有1Hz時的靈敏度為0.1pT/Hz1/2，100Hz時的靈敏度為0.01pT/Hz1/2，平坦部分的轉(zhuǎn)換靈敏度為100mV/nT，實(shí)驗(yàn)框圖見圖3、實(shí)拍圖見圖4。

圖3磁電機(jī)械天線輻射性能測試實(shí)驗(yàn)框圖

圖4磁電機(jī)械天線輻射性能測試實(shí)拍圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1.諧振頻率測試結(jié)果

精掃5-6kHz區(qū)間，天線在5.3406kHz處出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，與COMSOL仿真結(jié)果（5.34kHz）高度一致，偏差源于環(huán)氧樹脂固化后的殘余應(yīng)力與剛度變化。

2.偏置磁場測試結(jié)果

磁感應(yīng)強(qiáng)度隨永磁體距離先增后減，在永磁體距離天線6cm時達(dá)到最大值（偏置磁場強(qiáng)度最優(yōu)）；超過6cm后，磁致伸縮層磁疇飽和，損耗增加，輻射強(qiáng)度下降。

3.驅(qū)動電壓測試結(jié)果

在天線線性工作范圍內(nèi)（10V-110V），磁感應(yīng)強(qiáng)度與激勵電壓呈正比關(guān)系，驗(yàn)證了理論模型中“電場驅(qū)動機(jī)械應(yīng)變線性傳遞”的假設(shè)。

4.方向性測試結(jié)果

x-o-z平面（豎直面）：輻射方向圖對稱，0°和180°（天線長度方向）磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，90°和270°最小，符合磁偶極子輻射模式；

x-o-y平面（水平面）：各角度磁感應(yīng)強(qiáng)度基本一致，符合壓電層電偶極子輻射的各向同性特征。

5.距離與輻射強(qiáng)度測試結(jié)果

磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離增加呈r?3衰減（近場理論規(guī)律），在60m處測得磁感應(yīng)強(qiáng)度為3.31×10?1?T，預(yù)計120m處強(qiáng)度約5×10?1?T。

6.電感影響測試結(jié)果

外接電感可顯著提升輻射強(qiáng)度：0.5mH（1.83倍）、0.9mH（1.89倍）、1.5mH（2.56倍），其中1.5mH為最優(yōu)電感值；

諧振頻率偏移：0.5mH/0.9mH向高頻偏移（+2Hz），1.0mH/1.5mH向低頻偏移（-1Hz/-5Hz），帶寬均窄于無電感組。

7.復(fù)雜電磁環(huán)境測試結(jié)果

穿透三層混凝土后，三樓接收強(qiáng)度2.77×10?12T（衰減約20%），二樓2.19×10?12T，一樓1.97×10?12T，衰減主要源于混凝土吸收與信號反射，驗(yàn)證了天線強(qiáng)低頻穿透能力與抗干擾性。

?功率放大器推薦：ATA-2022B

圖：ATA-2022B高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇