应用案例

　　实验名称：MME复合材料的电致应变实验

　　研究方向：无线通信一直是现代信息化社会中不可或缺的元素。除了商用电天线之外，极低频（VLF）机械天线最近成为研究热点，因为它们在有损导电环境中结合了小型化和良好的辐射效率。然而，由于辐射能力和调制带宽相对有限，它们的使用受到了挑战。本研究展示了一种基于磁-机械-电（MME）效应的改进型高效磁电（ME）机械天线，该天线是通过压电驱动磁体运动和反向磁电（ME）的协同效应实现的。相反，ME系数和辐射测量表明，MME天线表现出优于普通ME天线的性能。振荡磁体在ME复合材料之外用作额外的振动磁偶极子，从而增强机械天线的辐射。此外，使用VLF载波信号进行数字信号调制，以实现抗干扰和抗衰减通信。鉴于示范性演示，基于MME效应的天线有望为机械天线改进提供新策略，并在导电环境通信应用中显示出巨大的潜力。

　　值得注意的是，机械天线也可以被基于压电或磁电的自谐振机械结构激发，它们依赖于振荡的电/磁偶极子作为辐射源。基于高Q值铌酸锂压电晶体棒的VLF发射器已经通过直接天线调制方法被引入，该发射器显示出比同类传统天线更高的辐射效率。此外，使用高介电常数PZT压电陶瓷被发现可以提高电偶极子密度并提高辐射效率。这些器件的高Q因数导致天线由于效率与带宽的权衡而受到限制。另一方面，多铁磁电（ME）复合材料在电磁电转换中表现出迷人的现象，有望应用于包括天线在内的各种功能器件。

　　在这项工作中，设计并演示了一种基于磁-机械-电（MME）效应的VLF发射器。该系统由一个固定的PZT/Metglas堆栈组成，其自由端附有永磁体。已经进行了ME耦合特性和电磁辐射特性的测量，然后进行了模拟和数字信号传输测试。实验结果表明，尖端磁体不仅为ME复合材料提供磁偏，而且由于其振动而产生显着的电磁辐射增益。MME效应引起的这种辐射增强有望为ME天线的改进提供有前途的策略。

　　实验目的：使用FEA对谐振频率的阻抗依赖性进行建模，并根据经验进行测量，以量化具有不同结构的复合材料的机电性能，为后续实验做论证和铺垫。

　　测试设备：ATA-3090B功率放大器、信号发生器、示波器、MME天线、前置放大器

　　实验过程：超将音频电压信号输入功率放大器ATA-3090B，然后将放大的信号传输到MME天线。将线圈放置在距离悬臂15cm处作为接收器。接收到的信号被放大并馈送到示波器进行观察。当具有固定振幅不同频率（0.5、1、3和5kHz）的正弦波的MME天线时，接收信号表现出相同频率的正弦响应。实验过程流程图如图1-1。

　　图1-1ME复合材料的电致应变实验框图

　　实验结果：图1-2a分别描述了L-T模式ME复合材料、ME悬臂和MME悬臂的辐射场强度与功耗的函数关系。由于复合材料的谐振工作频率（分别为24.6kHz、11.32kHz和11.5kHz）的远场区域（kr>>1，k是波数，r是距离）超过2km，因此很难测试远场辐射特性。沿纵向距离辐射源20cm处放置搜索线圈，天线在其谐振频率下以500mW驱动。将从搜索线圈接收到的电压输出除以线圈的传递函数，得到检测到的磁通密度。MME天线产生的辐射场强度比具有相同施加功率的L-T模式ME复合材料和ME悬臂强得多（图2a）。如图1-2b所示，磁通量随距离的增加而迅速减小，而在5m处可以检测到T磁场。此外，经验曲线拟合表明，测得的磁通量衰减为1/r3，这与准静态磁场的衰减定律非常吻合。

　　图1-2ME天线的辐射性能。a）在20cm处测量的B场作为无应力L-T模式ME层压板、一端夹紧ME和MME悬臂在其谐振状态下的输入功率的函数。b）在驱动电压为20V、功率为500mW、频率为11320Hz的情况下，由MME悬臂引起的B场分布与沿纵向距离的函数关系。

　　图：ATA-3090C功率放大器指标参数

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