實(shí)驗(yàn)名稱：MME復(fù)合材料的電致應(yīng)變實(shí)驗(yàn)

研究方向：無線通信一直是現(xiàn)代信息化社會中不可或缺的元素。除了商用電天線之外，極低頻（VLF）機(jī)械天線最近成為研究熱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冊谟袚p導(dǎo)電環(huán)境中結(jié)合了小型化和良好的輻射效率。然而，由于輻射能力和調(diào)制帶寬相對有限，它們的使用受到了挑戰(zhàn)。本研究展示了一種基于磁-機(jī)械-電（MME）效應(yīng)的改進(jìn)型高效磁電（ME）機(jī)械天線，該天線是通過壓電驅(qū)動磁體運(yùn)動和反向磁電（ME）的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。相反，ME系數(shù)和輻射測量表明，MME天線表現(xiàn)出優(yōu)于普通ME天線的性能。振蕩磁體在ME復(fù)合材料之外用作額外的振動磁偶極子，從而增強(qiáng)機(jī)械天線的輻射。此外，使用VLF載波信號進(jìn)行數(shù)字信號調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)抗干擾和抗衰減通信。鑒于示范性演示，基于MME效應(yīng)的天線有望為機(jī)械天線改進(jìn)提供新策略，并在導(dǎo)電環(huán)境通信應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

值得注意的是，機(jī)械天線也可以被基于壓電或磁電的自諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)激發(fā)，它們依賴于振蕩的電/磁偶極子作為輻射源?；诟逹值鈮酸鋰壓電晶體棒的VLF發(fā)射器已經(jīng)通過直接天線調(diào)制方法被引入，該發(fā)射器顯示出比同類傳統(tǒng)天線更高的輻射效率。此外，使用高介電常數(shù)PZT壓電陶瓷被發(fā)現(xiàn)可以提高電偶極子密度并提高輻射效率。這些器件的高Q因數(shù)導(dǎo)致天線由于效率與帶寬的權(quán)衡而受到限制。另一方面，多鐵磁電（ME）復(fù)合材料在電磁電轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)出迷人的現(xiàn)象，有望應(yīng)用于包括天線在內(nèi)的各種功能器件。

在這項(xiàng)工作中，設(shè)計并演示了一種基于磁-機(jī)械-電（MME）效應(yīng)的VLF發(fā)射器。該系統(tǒng)由一個固定的PZT/Metglas堆棧組成，其自由端附有永磁體。已經(jīng)進(jìn)行了ME耦合特性和電磁輻射特性的測量，然后進(jìn)行了模擬和數(shù)字信號傳輸測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，尖端磁體不僅為ME復(fù)合材料提供磁偏，而且由于其振動而產(chǎn)生顯著的電磁輻射增益。MME效應(yīng)引起的這種輻射增強(qiáng)有望為ME天線的改進(jìn)提供有前途的策略。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏褂肍EA對諧振頻率的阻抗依賴性進(jìn)行建模，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測量，以量化具有不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的機(jī)電性能，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

測試設(shè)備：ATA-3090B功率放大器、信號發(fā)生器、示波器、MME天線、前置放大器

實(shí)驗(yàn)過程：將音頻電壓信號輸入功率放大器ATA-3090B，然后將放大的信號傳輸?shù)組ME天線。將線圈放置在距離懸臂15cm處作為接收器。接收到的信號被放大并饋送到示波器進(jìn)行觀察。當(dāng)具有固定振幅不同頻率（0.5、1、3和5kHz）的正弦波的MME天線時，接收信號表現(xiàn)出相同頻率的正弦響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程流程圖如圖1-1。

圖1-1ME復(fù)合材料的電致應(yīng)變實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖1-2a分別描述了L-T模式ME復(fù)合材料、ME懸臂和MME懸臂的輻射場強(qiáng)度與功耗的函數(shù)關(guān)系。由于復(fù)合材料的諧振工作頻率（分別為24.6kHz、11.32kHz和11.5kHz）的遠(yuǎn)場區(qū)域（kr>>1，k是波數(shù)，r是距離）超過2km，因此很難測試遠(yuǎn)場輻射特性。沿縱向距離輻射源20cm處放置搜索線圈，天線在其諧振頻率下以500mW驅(qū)動。將從搜索線圈接收到的電壓輸出除以線圈的傳遞函數(shù)，得到檢測到的磁通密度。MME天線產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)度比具有相同施加功率的L-T模式ME復(fù)合材料和ME懸臂強(qiáng)得多（圖2a）。如圖1-2b所示，磁通量隨距離的增加而迅速減小，而在5m處可以檢測到T磁場。此外，經(jīng)驗(yàn)曲線擬合表明，測得的磁通量衰減為1/r3，這與準(zhǔn)靜態(tài)磁場的衰減定律非常吻合。

圖1-2ME天線的輻射性能。a）在20cm處測量的B場作為無應(yīng)力L-T模式ME層壓板、一端夾緊ME和MME懸臂在其諧振狀態(tài)下的輸入功率的函數(shù)。b）在驅(qū)動電壓為20V、功率為500mW、頻率為11320Hz的情況下，由MME懸臂引起的B場分布與沿縱向距離的函數(shù)關(guān)系。

圖：ATA-3090C功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇