實驗名稱：MME復合材料的電致應變實驗

　　研究方向：無線通信一直是現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）機械天線最近成為研究熱點，因為它們在有損導電環境中結合了小型化和良好的輻射效率。然而，由于輻射能力和調制帶寬相對有限，它們的使用受到了挑戰。本研究展示了一種基于磁-機械-電（MME）效應的改進型高效磁電（ME）機械天線，該天線是通過壓電驅動磁體運動和反向磁電（ME）的協同效應實現的。相反，ME系數和輻射測量表明，MME天線表現出優于普通ME天線的性能。振蕩磁體在ME復合材料之外用作額外的振動磁偶極子，從而增強機械天線的輻射。此外，使用VLF載波信號進行數字信號調制，以實現抗干擾和抗衰減通信。鑒于示范性演示，基于MME效應的天線有望為機械天線改進提供新策略，并在導電環境通信應用中顯示出巨大的潛力。

　　值得注意的是，機械天線也可以被基于壓電或磁電的自諧振機械結構激發，它們依賴于振蕩的電/磁偶極子作為輻射源。基于高Q值鈮酸鋰壓電晶體棒的VLF發射器已經通過直接天線調制方法被引入，該發射器顯示出比同類傳統天線更高的輻射效率。此外，使用高介電常數PZT壓電陶瓷被發現可以提高電偶極子密度并提高輻射效率。這些器件的高Q因數導致天線由于效率與帶寬的權衡而受到限制。另一方面，多鐵磁電（ME）復合材料在電磁電轉換中表現出迷人的現象，有望應用于包括天線在內的各種功能器件。

　　在這項工作中，設計并演示了一種基于磁-機械-電（MME）效應的VLF發射器。該系統由一個固定的PZT/Metglas堆棧組成，其自由端附有永磁體。已經進行了ME耦合特性和電磁輻射特性的測量，然后進行了模擬和數字信號傳輸測試。實驗結果表明，尖端磁體不僅為ME復合材料提供磁偏，而且由于其振動而產生顯著的電磁輻射增益。MME效應引起的這種輻射增強有望為ME天線的改進提供有前途的策略。

　　實驗目的：使用FEA對諧振頻率的阻抗依賴性進行建模，并根據經驗進行測量，以量化具有不同結構的復合材料的機電性能，為后續實驗做論證和鋪墊。

　　測試設備：ATA-3090B功率放大器、信號發生器、示波器、MME天線、前置放大器

　　實驗過程：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到MME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行觀察。當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，接收信號表現出相同頻率的正弦響應。實驗過程流程圖如圖1-1。

　　圖1-1ME復合材料的電致應變實驗框圖

　　實驗結果：圖1-2a分別描述了L-T模式ME復合材料、ME懸臂和MME懸臂的輻射場強度與功耗的函數關系。由于復合材料的諧振工作頻率（分別為24.6kHz、11.32kHz和11.5kHz）的遠場區域（kr>>1，k是波數，r是距離）超過2km，因此很難測試遠場輻射特性。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驅動。將從搜索線圈接收到的電壓輸出除以線圈的傳遞函數，得到檢測到的磁通密度。MME天線產生的輻射場強度比具有相同施加功率的L-T模式ME復合材料和ME懸臂強得多（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，經驗曲線擬合表明，測得的磁通量衰減為1/r3，這與準靜態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場作為無應力L-T模式ME層壓板、一端夾緊ME和MME懸臂在其諧振狀態下的輸入功率的函數。b）在驅動電壓為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關系。

　　圖：ATA-3090C功率放大器指標參數

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