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Application d'un amplificateur de puissance à haute tension pour tester les performances des antennes mécaniques de communication à basse fréquence

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Nom de l'expérience : Test de performance des antennes mécaniques de communication à basse fréquenceRecherche Di

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nom de l'expérience : Test de performance des antennes mécaniques de communication à basse fréquence

Orientation de la recherche : Les antennes traditionnelles à ondes longues génèrent un rayonnement électromagnétique par résonance électrique dans des structures métalliques, ce qui nécessite généralement des dimensions de centaines ou de milliers de mètres pour répondre aux exigences de fréquence opérationnelle, ce qui n'est pas favorable à l'installation et à l'entretien. Les antennes mécaniques utilisent les vibrations mécaniques pour faire basculer les dipôles électriques ou magnétiques dans les matériaux afin d'obtenir un rayonnement électromagnétique, ce qui permet de miniaturiser la conception des antennes à ondes longues en surmontant les limites de la taille de la structure et de l'efficacité du rayonnement. La recherche actuelle sur les antennes mécaniques se concentre principalement sur l'optimisation des performances électromagnétiques des antennes individuelles, telles que l'efficacité du rayonnement et la distance de transmission, alors que des études approfondies sur les systèmes de transmission de signaux des antennes mécaniques n'ont pas encore été menées. Cette expérience construit un système de communication à antenne mécanique basé sur des matériaux céramiques ferroélectriques relaxants, et étudie les performances des antennes mécaniques développées dans un système de communication réel en vue d'une optimisation approfondie.

Objectifs expérimentaux : Effectuer des tests de performance pour les unités de transmission et de réception du système d'antenne mécanique ; effectuer une analyse théorique de la polarité du rayonnement électromagnétique des antennes mécaniques piézoélectriques ; ensuite concevoir et optimiser l'unité de transmission du système d'antenne mécanique. Tester les courbes d'impédance et de capacité des antennes mécaniques piézoélectriques avec différents matériaux et dimensions afin de sélectionner le matériau de conception de l'antenne mécanique et la taille structurelle optimaux. Construire un système de transmission d'antenne mécanique piézoélectrique, concevoir et optimiser les méthodes d'amplification et d'alimentation du système d'antenne mécanique, et proposer une solution de communication d'antenne mécanique optimale.

Équipement de test : Générateur de signaux de fonction, céramique piézoélectrique, sonde de courant, amplificateur de puissance, oscilloscope, antenne de réception, analyseur de spectre, etc.

Processus expérimental : Dans l'émetteur de signaux, une connexion entre l'émetteur et l'antenne est nécessaire, et ce point de connexion, connu sous le nom d'alimentation de l'antenne, est une partie cruciale de l'ensemble du système de l'émetteur. Il en va de même pour les systèmes de transmission à antenne mécanique. Contrairement aux antennes électriques, l'antenne mécanique piézoélectrique, en tant que type de céramique piézoélectrique, n'est pas affectée dans ses caractéristiques de résonance par l'alimentation de l'antenne. En d'autres termes, les caractéristiques de résonance inhérentes de l'antenne mécanique piézoélectrique ne dépendent que du matériau, de la structure et d'autres propriétés de l'antenne elle-même, tandis que l'alimentation de l'antenne n'affecte que la puissance d'entrée et l'efficacité de rayonnement de l'antenne mécanique piézoélectrique.

Pour optimiser le système d'alimentation de l'antenne mécanique et améliorer la puissance d'entrée et l'efficacité de rayonnement de l'antenne mécanique piézoélectrique, une antenne boucle a été choisie comme antenne de réception, fonctionnant dans la bande de fréquence de 20 Hz - 1 MHz avec un diamètre de 50 cm. Pour afficher plus intuitivement l'amplitude du signal reçu, un analyseur de spectre a été utilisé comme récepteur, avec une bande de fréquence de réception de 9 kHz - 3 GHz et une largeur de bande d'analyse maximale de 1 MHz.

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En suivant le système d'essai d'antenne mécanique piézoélectrique illustré à la figure 3-13, l'impact de l'alimentation de l'antenne sur les performances de rayonnement de l'antenne mécanique a été testé et optimisé. Les conditions expérimentales étaient les suivantes : la distance entre l'émetteur et le récepteur du système était de 1 mètre ; le générateur de signaux émettait un signal sinusoïdal continu de 30 kHz à 1 MHz avec une tension crête à crête de 5 Vp-p ; le gain de l'amplificateur était de 9 fois, ce qui donnait une tension d'entrée de 45 Vp-p. Des sondes d'alimentation à semi-conducteur, couramment utilisées pour mesurer de faibles signaux de courant et de tension en raison de leur grande sensibilité, de leur faible bruit et de leur facilité d'utilisation, ont été placées directement avec leurs pointes sur la surface de l'antenne mécanique piézoélectrique, l'autre extrémité étant connectée à la sortie de l'amplificateur. Une plaque de cuivre a été placée sous l'antenne mécanique pour mettre à la terre l'électrode inférieure. Étant donné que de légers changements de position pendant le fonctionnement de la céramique piézoélectrique peuvent affecter les vibrations et dégrader les performances de l'antenne mécanique piézoélectrique, une plate-forme d'alimentation a été conçue. Cette plateforme utilise des pinces en plastique et des ressorts pour fixer la céramique piézoélectrique. La feuille de métal de la plate-forme d'alimentation prend en sandwich une pièce de céramique au milieu, et du cuivre ou de l'argent hautement conducteur est utilisé comme métal d'alimentation. La surface inférieure est utilisée pour la mise à la terre, tandis que la surface supérieure de la plate-forme d'alimentation est connectée au fond de panier de la plate-forme d'alimentation à l'aide d'un fil à haute température pour faciliter la connexion à la sortie de l'amplificateur de puissance.

Résultats expérimentaux : Sur la base du système d'essai d'antennes mécaniques piézoélectriques, les performances de rayonnement électromagnétique d'antennes mécaniques piézoélectriques avec différents matériaux et dimensions ont été testées pour vérifier la faisabilité du matériau de l'antenne mécanique piézoélectrique et de la conception structurelle.

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Les courbes de puissance reçue pour le P5-H et la céramique ferroélectrique avec un diamètre a=15 mm et une épaisseur b=2 mm dans la gamme de fréquences de 30 kHz - 1 MHz ont été testées. La figure 3-18 montre la puissance des signaux électromagnétiques reçus par l'antenne cadre SAS-565L dans la gamme de fréquences 30 kHz - 1 MHz. Il est clair que l'antenne boucle a reçu une puissance de transmission plus élevée de la céramique ferroélectrique que du P5-H, ce qui indique que la céramique ferroélectrique a de meilleures performances en matière de rayonnement électromagnétique. Lorsque le diamètre a de l'antenne mécanique piézoélectrique est de 7,5 mm, comme le montre la figure 3-18(b), la puissance reçue à l'extrémité réceptrice du système d'essai d'antenne mécanique piézoélectrique diminue progressivement à mesure que l'épaisseur b de l'antenne mécanique augmente, ce qui suggère que les antennes mécaniques piézoélectriques plus fines ont une meilleure efficacité de rayonnement. De même, en maintenant l'épaisseur de l'antenne mécanique constante à b=2 mm, lorsque les diamètres a de l'antenne mécanique sont respectivement de 7,5 mm, 15 mm et 30 mm, la puissance reçue à l'extrémité réceptrice du système de communication à antenne mécanique augmente progressivement à mesure que a augmente. A titre de comparaison, la courbe de puissance reçue pour la céramique ferroélectrique avec les dimensions a=15 mm, b=2 mm est également incluse dans la Figure 3-18(c). La figure 3-18(c) montre que lorsque la fréquence de rayonnement de l'antenne mécanique piézoélectrique dépasse 761 kHz, la céramique ferroélectrique de dimensions a=15 mm, b=2 mm a le rayonnement électromagnétique le plus fort. D'après le tracé d'impédance de la figure 3-10(b), on sait qu'à des fréquences plus élevées, l'impédance de la céramique ferroélectrique de dimensions a=15 mm, b=2 mm est plus proche de 50 Ω, d'où le rayonnement plus fort lorsque la fréquence dépasse 721 kHz. En résumé, lorsque les dimensions de la céramique ferroélectrique sont a=30 mm, b=1 mm, l'antenne mécanique piézoélectrique présente une efficacité de rayonnement plus élevée et une meilleure performance de communication dans la bande de fréquences 30 kHz - 721 kHz ; lorsque les dimensions de la céramique ferroélectrique sont a=15 mm, b=2 mm, l'antenne mécanique piézoélectrique présente une efficacité de rayonnement plus élevée et une meilleure performance de communication dans la bande de fréquences 30 kHz - 761 kHz.

Amplificateur de puissance recommandé : ATA-4014C

Spécifications et paramètres de l'amplificateur de puissance haute tension ATA-4014C

Figure : Spécifications et paramètres de l'amplificateur de puissance haute tension ATA-4014C

Le dossier ci-dessus a été élaboré par Aigtek Xi'an. Aigtek Electronics de Xi'an est une entreprise de haute technologie spécialisée dans la recherche, le développement, la production et la vente d'instruments de mesure électroniques, notamment d'amplificateurs de puissance, d'amplificateurs à haute tension, de sources de signaux de puissance, de préamplificateurs pour petits signaux, de sources de tension de haute précision et de sources de courant de haute précision, offrant aux utilisateurs des solutions d'essai compétitives. Aigtek est devenu un fournisseur d'instruments à grande échelle avec une large gamme de produits dans l'industrie, et des unités de démonstration sont disponibles pour un essai gratuit.

En suivant le système d'essai d'antenne mécanique piézoélectrique illustré à la figure 3-13, l'impact de l'alimentation de l'antenne sur les performances de rayonnement de l'antenne mécanique a été testé et optimisé. Les conditions expérimentales étaient les suivantes : la distance entre l'émetteur et le récepteur du système était de 1 mètre ; le générateur de signaux émettait un signal sinusoïdal continu de 30 kHz à 1 MHz avec une tension crête à crête de 5 Vp-p ; le gain de l'amplificateur était 9 fois, ce qui donnait une tension d'entrée de 45 Vp-p. Des sondes d'alimentation à semi-conducteur, couramment utilisées pour mesurer de faibles signaux de courant et de tension en raison de leur grande sensibilité, de leur faible bruit et de leur facilité d'utilisation, ont été placées directement avec leurs pointes sur la surface de l'antenne mécanique piézoélectrique, l'autre extrémité étant connectée à la sortie de l'amplificateur. Une plaque de cuivre a été placée sous l'antenne mécanique pour mettre à la terre l'électrode inférieure. Étant donné que de légers changements de position pendant le fonctionnement de la céramique piézoélectrique peuvent affecter les vibrations et dégrader les performances de l'antenne mécanique piézoélectrique, une plate-forme d'alimentation a été conçue. Cette plateforme utilise des pinces en plastique et des ressorts pour fixer la céramique piézoélectrique. La feuille de métal de la plate-forme d'alimentation prend en sandwich une pièce de céramique au milieu, et du cuivre ou de l'argent hautement conducteur est utilisé comme métal d'alimentation. La surface inférieure est utilisée pour la mise à la terre, tandis que la surface supérieure de la plate-forme d'alimentation est connectée au fond de panier de la plate-forme d'alimentation à l'aide d'un fil à haute température pour faciliter la connexion à la sortie de l'amplificateur de puissance.

Résultats expérimentaux : Sur la base du système d'essai d'antennes mécaniques piézoélectriques, les performances de rayonnement électromagnétique d'antennes mécaniques piézoélectriques avec différents matériaux et dimensions ont été testées pour vérifier la faisabilité du matériau de l'antenne mécanique piézoélectrique et de la conception structurelle.

Les courbes de puissance reçue pour le P5-H et la céramique ferroélectrique avec un diamètre a=15 mm et une épaisseur b=2 mm dans la gamme de fréquences 30 kHz - 1 MHz ont été testées. La figure 3-18 montre la puissance des signaux électromagnétiques reçus par l'antenne cadre SAS-565L dans la gamme de fréquences 30 kHz - 1 MHz. Il est clair que l'antenne boucle a reçu une puissance de transmission plus élevée de la céramique ferroélectrique que du P5-H, ce qui indique que la céramique ferroélectrique a de meilleures performances en matière de rayonnement électromagnétique. Lorsque le diamètre a de l'antenne mécanique piézoélectrique est de 7,5 mm, comme le montre la figure 3-18(b), la puissance reçue à l'extrémité réceptrice du système d'essai d'antenne mécanique piézoélectrique diminue progressivement à mesure que l'épaisseur b de l'antenne mécanique augmente, ce qui suggère que les antennes mécaniques piézoélectriques plus fines ont une meilleure efficacité de rayonnement. De même, en maintenant l'épaisseur de l'antenne mécanique constante à b=2 mm, lorsque les diamètres a de l'antenne mécanique sont respectivement de 7,5 mm, 15 mm et 30 mm, la puissance reçue à l'extrémité réceptrice du système de communication à antenne mécanique augmente progressivement à mesure que a augmente. A titre de comparaison, la courbe de puissance reçue pour la céramique ferroélectrique avec les dimensions a=15 mm, b=2 mm est également incluse dans la Figure 3-18(c). La figure 3-18(c) montre que lorsque la fréquence de rayonnement de l'antenne mécanique piézoélectrique dépasse 761 kHz, la céramique ferroélectrique de dimensions a=15 mm, b=2 mm a le rayonnement électromagnétique le plus fort. D'après le tracé d'impédance de la figure 3-10(b), on sait qu'à des fréquences plus élevées, l'impédance de la céramique ferroélectrique de dimensions a=15 mm, b=2 mm est plus proche de 50 Ω, d'où le rayonnement plus fort lorsque la fréquence dépasse 721 kHz. En résumé, lorsque les dimensions de la céramique ferroélectrique sont a=30 mm, b=1 mm, l'antenne mécanique piézoélectrique présente une efficacité de rayonnement plus élevée et une meilleure performance de communication dans la bande de fréquences 30 kHz - 721 kHz ; lorsque les dimensions de la céramique ferroélectrique sont a=15 mm, b=2 mm, l'antenne mécanique piézoélectrique présente une efficacité de rayonnement plus élevée et une meilleure performance de communication dans la bande de fréquences 30 kHz - 761 kHz.

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