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Anwendung von Hochspannungs-Leistungsverstärkern bei der Leistungsprüfung von mechanischen Niederfrequenz-Kommunikationsantennen

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Experimenteller Name: Leistungsprüfung von mechanischen Antennen für die NiederfrequenzkommunikationForschungsvorhaben Di

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experimenteller Name: Leistungsprüfung von mechanischen Antennen für die Niederfrequenzkommunikation

Richtung der Forschung: Herkömmliche Langwellenantennen erzeugen elektromagnetische Strahlung durch elektrische Resonanz in Metallstrukturen, die in der Regel Abmessungen von Hunderten oder Tausenden von Metern erfordern, um die Betriebsfrequenzanforderungen zu erfüllen, was für die Installation und Wartung ungünstig ist. Mechanische Antennen nutzen mechanische Schwingungen, um das Umklappen elektrischer oder magnetischer Dipole innerhalb von Materialien anzutreiben und so elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, was ein miniaturisiertes Design von Langwellenantennen ermöglicht, indem die Beschränkungen der Strukturgröße und der Strahlungseffizienz überwunden werden. Die derzeitige Forschung zu mechanischen Antennen konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung einzelner elektromagnetischer Leistungsaspekte der Antenne wie Strahlungseffizienz und Übertragungsdistanz, während eingehende Studien zu Signalübertragungssystemen mit mechanischen Antennen noch nicht umfassend durchgeführt wurden. In diesem Experiment wird ein Kommunikationssystem mit mechanischen Antennen auf der Grundlage von ferroelektrischen Relaxor-Keramikmaterialien konstruiert und die Leistung der entwickelten mechanischen Antennen in einem tatsächlichen Kommunikationssystem untersucht, um eine tiefgreifende Optimierung zu erreichen.

Experimentelle Zielsetzungen: Durchführung von Leistungstests für die Sende- und Empfangseinheiten des mechanischen Antennensystems; Durchführung einer theoretischen Analyse der elektromagnetischen Strahlungspolarität piezoelektrischer mechanischer Antennen; anschließend Entwurf und Optimierung der Sendeeinheit des mechanischen Antennensystems. Testen Sie die Impedanz- und Kapazitätskurven piezoelektrischer mechanischer Antennen mit verschiedenen Materialien und Abmessungen, um das optimale Material und die optimale Strukturgröße für die mechanische Antenne auszuwählen. Bau eines piezoelektrischen mechanischen Antennenübertragungssystems, Entwurf und Optimierung der Verstärkungs- und Speisungsmethoden des mechanischen Antennensystems und Vorschlag einer optimalen Kommunikationslösung für die mechanische Antenne.

Testausrüstung: Funktionssignalgenerator, piezoelektrische Keramik, Stromsonde, Leistungsverstärker, Oszilloskop, Empfangsantenne, Spektrumanalysator, usw.

Experimenteller Prozess: Im Signalsender ist eine Verbindung zwischen Sender und Antenne erforderlich, und dieser Verbindungspunkt, die so genannte Antennenspeisung, ist ein entscheidender Teil des gesamten Sendersystems. Dies gilt auch für mechanische Antennenübertragungssysteme. Im Gegensatz zu elektrischen Antennen wird die piezoelektrische mechanische Antenne als eine Art piezoelektrischer Keramik in ihren Resonanzeigenschaften durch die Antennenspeisung nicht beeinträchtigt. Das heißt, die Eigenresonanzcharakteristik der piezoelektrischen mechanischen Antenne hängt nur vom Material, der Struktur und anderen Eigenschaften der Antenne selbst ab, während die Antennenspeisung nur die Eingangsleistung und die Strahlungseffizienz der piezoelektrischen mechanischen Antenne beeinflusst.

Um das Speisesystem der mechanischen Antenne zu optimieren und die Eingangsleistung und Strahlungseffizienz der piezoelektrischen mechanischen Antenne zu verbessern, wurde eine Rahmenantenne als Empfangsantenne gewählt, die im Frequenzband von 20 Hz - 1 MHz mit einem Durchmesser von 50 cm arbeitet. Um die empfangene Signalamplitude intuitiver darstellen zu können, wurde als Empfänger ein Spektrumanalysator mit einem Empfangsfrequenzband von 9 kHz - 3 GHz und einer maximalen Analysebandbreite von 1 MHz verwendet.

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In Anlehnung an das in Abbildung 3-13 dargestellte Testsystem für piezoelektrische mechanische Antennen wurde der Einfluss der Antennenspeisung auf die Strahlungsleistung der mechanischen Antenne getestet und optimiert. Die Versuchsbedingungen wurden wie folgt festgelegt: Der Abstand zwischen Sender und Empfänger des Systems betrug 1 m; der Signalgenerator gab ein kontinuierliches Sinussignal von 30 kHz - 1 MHz mit einer Spitze-Spitze-Spannung von 5 Vp-p aus; die Verstärkung des Verstärkers betrug das Neunfache, was zu einer Eingangsspannung von 45 Vp-p führte. Halbleitersonden, die wegen ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres geringen Rauschens und ihrer einfachen Handhabung üblicherweise für die Messung schwacher Strom- und Spannungssignale verwendet werden, wurden mit ihren Spitzen direkt auf der Oberfläche der piezoelektrischen mechanischen Antenne platziert, wobei das andere Ende mit dem Verstärkerausgang verbunden war. Zur Erdung der unteren Elektrode wurde eine Kupferplatte unter die mechanische Antenne gelegt. Da leichte Positionsverschiebungen während des Betriebs der piezoelektrischen Keramik die Vibrationen beeinflussen und die Leistung der piezoelektrischen mechanischen Antenne beeinträchtigen können, wurde eine Speiseplattform entwickelt. Diese Plattform verwendet Kunststoffklammern und Federn zur Befestigung der piezoelektrischen Keramik. Das Metallblech der Speiseplattform umschließt in der Mitte ein Keramikstück, und als Speisemetall wird hochleitfähiges Kupfer oder Silber verwendet. Die Unterseite dient zur Erdung, während die Oberseite der Speiseplattform mit der Rückwand der Speiseplattform über Hochtemperaturdraht verbunden ist, um einen einfachen Anschluss an den Leistungsverstärkerausgang zu ermöglichen.

Experimentelle Ergebnisse: Auf der Grundlage des Testsystems für piezoelektrische mechanische Antennen wurde die elektromagnetische Strahlungsleistung piezoelektrischer mechanischer Antennen mit verschiedenen Materialien und Abmessungen getestet, um die Machbarkeit des Materials und des strukturellen Designs der piezoelektrischen mechanischen Antenne zu überprüfen.

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Getestet wurden die Empfangsleistungskurven für P5-H und ferroelektrische Keramik mit Durchmesser a=15 mm und Dicke b=2 mm im Frequenzbereich von 30 kHz - 1 MHz. Abbildung 3-18 zeigt die Leistung der elektromagnetischen Wellensignale, die von der Rahmenantenne SAS-565L im Frequenzbereich von 30 kHz bis 1 MHz empfangen wurden. Es wird deutlich, dass die Schleifenantenne von der ferroelektrischen Keramik eine höhere Sendeleistung empfängt als von P5-H, was darauf hinweist, dass die ferroelektrische Keramik eine bessere elektromagnetische Strahlungsleistung aufweist. Wenn der Durchmesser a der piezoelektrischen mechanischen Antenne 7,5 mm beträgt, wie in Abbildung 3-18(b) gezeigt, nimmt die empfangene Leistung am Empfängerende des piezoelektrischen mechanischen Antennen-Testsystems mit zunehmender Dicke b der mechanischen Antenne allmählich ab, was darauf hindeutet, dass dünnere piezoelektrische mechanische Antennen eine höhere Strahlungseffizienz haben. Wenn die Dicke der mechanischen Antenne konstant bei b=2 mm gehalten wird und die Durchmesser a der mechanischen Antenne 7,5 mm, 15 mm bzw. 30 mm betragen, nimmt die empfangene Leistung am Empfänger des Kommunikationssystems mit mechanischer Antenne allmählich zu, wenn a zunimmt. Zum Vergleich ist in Abbildung 3-18(c) auch die Kurve der empfangenen Leistung für die ferroelektrische Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm dargestellt. Aus Abbildung 3-18(c) ist ersichtlich, dass die ferroelektrische Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm die stärkste elektromagnetische Strahlung aufweist, wenn die Strahlungsfrequenz der piezoelektrischen mechanischen Antenne 761 kHz überschreitet. Aus dem Impedanzdiagramm in Abbildung 3-10(b) geht hervor, dass die Impedanz der ferroelektrischen Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm bei höheren Frequenzen näher bei 50 Ω liegt, daher die stärkere Abstrahlung bei Frequenzen über 721 kHz. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die piezoelektrische mechanische Antenne bei Abmessungen der ferroelektrischen Keramik von a=30 mm, b=1 mm eine höhere Strahlungseffizienz und eine stärkere Kommunikationsleistung im Frequenzband von 30 kHz - 721 kHz aufweist; bei Abmessungen der ferroelektrischen Keramik von a=15 mm, b=2 mm weist die piezoelektrische mechanische Antenne eine höhere Strahlungseffizienz und eine stärkere Kommunikationsleistung im Frequenzband von 30 kHz - 761 kHz auf.

Empfohlener Leistungsverstärker: ATA-4014C

Spezifikationen und Parameter des Hochspannungs-Leistungsverstärkers ATA-4014C

Abbildung: Technische Daten und Parameter des Hochspannungs-Leistungsverstärkers ATA-4014C

Der obige Fall wurde von Aigtek Xi'an zusammengestellt. Xi'an Aigtek Electronics ist ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf die Forschung, Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von elektronischen Messinstrumenten spezialisiert hat. Dazu gehören Leistungsverstärker, Hochspannungsverstärker, Leistungssignalquellen, Vorverstärker für kleine Signale, hochpräzise Spannungsquellen und hochpräzise Stromquellen, die den Anwendern wettbewerbsfähige Testlösungen bieten. Aigtek hat sich zu einem großen Instrumentenlieferanten mit einer breiten Palette von Produktlinien in der Industrie entwickelt, und Demogeräte sind für einen kostenlosen Test verfügbar.

In Anlehnung an das in Abbildung 3-13 gezeigte Testsystem für piezoelektrische mechanische Antennen wurde der Einfluss der Antennenspeisung auf die Strahlungsleistung der mechanischen Antenne getestet und optimiert. Die Versuchsbedingungen wurden wie folgt festgelegt: Der Abstand zwischen Sender und Empfänger des Systems betrug 1 Meter; der Signalgenerator gab ein kontinuierliches Sinussignal von 30 kHz - 1 MHz mit einer Spitze-Spitze-Spannung von 5 Vp-p aus; die Verstärkung des Verstärkers betrug das Neunfache, was zu einer Eingangsspannung von 45 Vp-p führte. Halbleitersonden, die wegen ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres geringen Rauschens und ihrer einfachen Handhabung üblicherweise für die Messung schwacher Strom- und Spannungssignale verwendet werden, wurden mit ihren Spitzen direkt auf der Oberfläche der piezoelektrischen mechanischen Antenne platziert, wobei das andere Ende mit dem Verstärkerausgang verbunden war. Zur Erdung der unteren Elektrode wurde eine Kupferplatte unter die mechanische Antenne gelegt. Da leichte Positionsverschiebungen während des Betriebs der piezoelektrischen Keramik die Vibrationen beeinflussen und die Leistung der piezoelektrischen mechanischen Antenne beeinträchtigen können, wurde eine Speiseplattform entwickelt. Diese Plattform verwendet Kunststoffklammern und Federn zur Befestigung der piezoelektrischen Keramik. Das Metallblech der Speiseplattform umschließt in der Mitte ein Keramikstück, und als Speisemetall wird hochleitfähiges Kupfer oder Silber verwendet. Die Unterseite dient zur Erdung, während die Oberseite der Speiseplattform mit der Rückwand der Speiseplattform über Hochtemperaturdraht verbunden ist, um einen einfachen Anschluss an den Leistungsverstärkerausgang zu ermöglichen.

Experimentelle Ergebnisse: Auf der Grundlage des Testsystems für piezoelektrische mechanische Antennen wurde die elektromagnetische Strahlungsleistung piezoelektrischer mechanischer Antennen mit verschiedenen Materialien und Abmessungen getestet, um die Machbarkeit des Materials und des strukturellen Designs der piezoelektrischen mechanischen Antenne zu überprüfen.

Es wurden die Empfangsleistungskurven für P5-H und ferroelektrische Keramik mit Durchmesser a=15 mm und Dicke b=2 mm im Frequenzbereich von 30 kHz - 1 MHz getestet. Abbildung 3-18 zeigt die Leistung der elektromagnetischen Wellensignale, die von der Rahmenantenne SAS-565L im Frequenzbereich von 30 kHz bis 1 MHz empfangen wurden. Es wird deutlich, dass die Schleifenantenne eine höhere Sendeleistung von der ferroelektrischen Keramik empfängt als von P5-H, was darauf hindeutet, dass die ferroelektrische Keramik eine bessere elektromagnetische Strahlungsleistung aufweist. Wenn der Durchmesser a der piezoelektrischen mechanischen Antenne 7,5 mm beträgt, wie in Abbildung 3-18(b) gezeigt, nimmt die empfangene Leistung am Empfängerende des piezoelektrischen mechanischen Antennen-Testsystems mit zunehmender Dicke b der mechanischen Antenne allmählich ab, was darauf hindeutet, dass dünnere piezoelektrische mechanische Antennen eine höhere Strahlungseffizienz haben. Wenn die Dicke der mechanischen Antenne konstant bei b=2 mm gehalten wird und die Durchmesser a der mechanischen Antenne 7,5 mm, 15 mm bzw. 30 mm betragen, nimmt die empfangene Leistung am Empfänger des Kommunikationssystems mit mechanischer Antenne allmählich zu, wenn a zunimmt. Zum Vergleich ist in Abbildung 3-18(c) auch die Kurve der empfangenen Leistung für die ferroelektrische Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm dargestellt. Aus Abbildung 3-18(c) ist ersichtlich, dass die ferroelektrische Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm die stärkste elektromagnetische Strahlung aufweist, wenn die Strahlungsfrequenz der piezoelektrischen mechanischen Antenne 761 kHz überschreitet. Aus dem Impedanzdiagramm in Abbildung 3-10(b) geht hervor, dass die Impedanz der ferroelektrischen Keramik mit den Abmessungen a=15 mm, b=2 mm bei höheren Frequenzen näher bei 50 Ω liegt, daher die stärkere Abstrahlung bei Frequenzen über 721 kHz. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die piezoelektrische mechanische Antenne bei Abmessungen der ferroelektrischen Keramik von a=30 mm, b=1 mm eine höhere Strahlungseffizienz und eine stärkere Kommunikationsleistung im Frequenzband von 30 kHz - 721 kHz aufweist; bei Abmessungen der ferroelektrischen Keramik von a=15 mm, b=2 mm weist die piezoelektrische mechanische Antenne eine höhere Strahlungseffizienz und eine stärkere Kommunikationsleistung im Frequenzband von 30 kHz - 761 kHz auf.

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