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Aplicación del amplificador de potencia de alto voltaje en las pruebas de rendimiento de antenas mecánicas de comunicaciones de baja frecuencia
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Nombre experimental: Pruebas de rendimiento de antenas mecánicas de comunicación de baja frecuenciaInvestigación Di
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nombre experimental: Pruebas de rendimiento de antenas mecánicas de comunicación de baja frecuencia
Dirección de la investigación: Las antenas tradicionales de onda larga generan radiación electromagnética mediante resonancia eléctrica en estructuras metálicas, lo que suele requerir dimensiones de cientos o miles de metros para cumplir los requisitos de frecuencia operativa, lo que resulta desfavorable para su instalación y mantenimiento. Las antenas mecánicas utilizan la vibración mecánica para impulsar el giro de los dipolos eléctricos o magnéticos dentro de los materiales con el fin de conseguir radiación electromagnética, lo que permite el diseño miniaturizado de antenas de onda larga al superar las limitaciones de tamaño estructural y eficiencia de radiación. La investigación actual sobre antenas mecánicas se centra principalmente en optimizar aspectos individuales del rendimiento electromagnético de la antena, como la eficiencia de radiación y la distancia de transmisión, mientras que aún no se han realizado estudios en profundidad sobre sistemas de transmisión de señales de antenas mecánicas. Este experimento construye un sistema de comunicación de antena mecánica basado en materiales cerámicos ferroeléctricos relajantes, investigando el rendimiento de las antenas mecánicas desarrolladas dentro de un sistema de comunicación real para su optimización en profundidad.
Objetivos experimentales: Realizar pruebas de rendimiento de las unidades transmisora y receptora del sistema de antena mecánica; realizar un análisis teórico de la polaridad de radiación electromagnética de las antenas mecánicas piezoeléctricas; posteriormente, diseñar y optimizar la unidad transmisora del sistema de antena mecánica. Probar las curvas de impedancia y capacitancia de antenas mecánicas piezoeléctricas con diferentes materiales y dimensiones para seleccionar el material de diseño y el tamaño estructural óptimos de la antena mecánica. Construir un sistema de transmisión de antena mecánica piezoeléctrica, diseñar y optimizar los métodos de amplificación y alimentación del sistema de antena mecánica, y proponer una solución óptima de comunicación de antena mecánica.
Equipos de prueba: Generador de señales de función, cerámica piezoeléctrica, sonda de corriente, amplificador de potencia, osciloscopio, antena receptora, analizador de espectro, etc.
Proceso experimental: En el transmisor de señales, es necesaria la conexión entre el transmisor y la antena, y este punto de conexión, conocido como alimentación de antena, es una parte crucial de todo el sistema transmisor. Lo mismo ocurre con los sistemas mecánicos de transmisión por antena. A diferencia de las antenas eléctricas, la antena mecánica piezoeléctrica, como tipo de cerámica piezoeléctrica, no se ve afectada en sus características resonantes por la alimentación de la antena. Es decir, las características resonantes inherentes de la antena mecánica piezoeléctrica dependen únicamente del material, la estructura y otras propiedades de la propia antena, mientras que la alimentación de la antena sólo afecta a la potencia de entrada y a la eficacia de radiación de la antena mecánica piezoeléctrica.
Para optimizar el sistema de alimentación de la antena mecánica y mejorar la potencia de entrada y la eficiencia de radiación de la antena mecánica piezoeléctrica, se seleccionó una antena de cuadro como antena receptora, que opera en la banda de frecuencias de 20 Hz - 1 MHz con un diámetro de 50 cm. Para visualizar de forma más intuitiva la amplitud de la señal recibida, se utilizó un analizador de espectro como receptor, con una banda de frecuencia de recepción de 9 kHz - 3 GHz y un ancho de banda de análisis máximo de 1 MHz.
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Siguiendo el sistema de prueba de antena mecánica piezoeléctrica mostrado en la Figura 3-13, se probó y optimizó el impacto de la alimentación de la antena en el rendimiento de radiación de la antena mecánica. Las condiciones experimentales se establecieron como sigue: la distancia entre el transmisor y el receptor del sistema era de 1 metro; el generador de señales emitía una señal sinusoidal continua de 30 kHz - 1 MHz con una tensión pico a pico de 5 Vp-p; la ganancia del amplificador era de 9 veces, lo que daba una tensión de entrada de 45 Vp-p. Las sondas de alimentación semiconductoras, comúnmente utilizadas para medir señales débiles de corriente y tensión debido a su alta sensibilidad, bajo ruido y facilidad de operación, se colocaron directamente con sus puntas sobre la superficie de la antena mecánica piezoeléctrica, con el otro extremo conectado a la salida del amplificador. Se colocó una placa de cobre debajo de la antena mecánica para conectar a tierra el electrodo inferior. Dado que ligeros desplazamientos posicionales durante el funcionamiento de la cerámica piezoeléctrica pueden afectar a la vibración y degradar el rendimiento de la antena mecánica piezoeléctrica, se diseñó una plataforma de alimentación. Esta plataforma utiliza abrazaderas de plástico y muelles para fijar la cerámica piezoeléctrica. La chapa metálica de la plataforma de alimentación intercala una pieza cerámica en el centro, y se utiliza cobre o plata altamente conductores como metal de alimentación. La superficie inferior se utiliza para la conexión a tierra, mientras que la superficie superior de la plataforma de alimentación está conectada a la placa posterior de la plataforma de alimentación mediante un cable de alta temperatura para facilitar la conexión a la salida del amplificador de potencia.
Resultados experimentales: Basándose en el sistema de prueba de antenas mecánicas piezoeléctricas, se probó el rendimiento de radiación electromagnética de antenas mecánicas piezoeléctricas con diferentes materiales y dimensiones para verificar la viabilidad del material de la antena mecánica piezoeléctrica y el diseño estructural.
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Se ensayaron las curvas de potencia recibida para P5-H y cerámica ferroeléctrica con diámetro a=15 mm y espesor b=2 mm en la gama de frecuencias de 30 kHz - 1 MHz. La Figura 3-18 muestra la potencia de las señales de ondas electromagnéticas recibidas por la antena de cuadro SAS-565L en la gama de frecuencias de 30 kHz - 1 MHz. Claramente, la antena de bucle recibió una mayor potencia de transmisión de la cerámica ferroeléctrica que de P5-H, lo que indica que la cerámica ferroeléctrica tiene un mejor rendimiento de radiación electromagnética. Cuando el diámetro a de la antena mecánica piezoeléctrica es de 7,5 mm, como se muestra en la Figura 3-18(b), la potencia recibida en el extremo receptor del sistema de prueba de antena mecánica piezoeléctrica disminuye gradualmente a medida que aumenta el grosor b de la antena mecánica, lo que sugiere que las antenas mecánicas piezoeléctricas más delgadas tienen una mayor eficacia de radiación. Del mismo modo, manteniendo el grosor de la antena mecánica constante en b=2 mm, cuando los diámetros a de la antena mecánica son de 7,5 mm, 15 mm y 30 mm respectivamente, la potencia recibida en el extremo receptor del sistema de comunicación de antena mecánica se refuerza gradualmente a medida que aumenta a. A modo de comparación, en la Figura 3-18(c) también se incluye la curva de potencia recibida para la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm. De la Figura 3-18(c) se desprende que cuando la frecuencia de radiación de la antena mecánica piezoeléctrica supera los 761 kHz, la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm presenta la radiación electromagnética más intensa. A partir del diagrama de impedancia de la Figura 3-10(b), se sabe que a frecuencias más altas, la impedancia de la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm está más cerca de 50 Ω, de ahí la radiación más fuerte cuando la frecuencia supera los 721 kHz. En resumen, cuando las dimensiones de la cerámica ferroeléctrica son a=30 mm, b=1 mm, la antena mecánica piezoeléctrica presenta una mayor eficacia de radiación y un mayor rendimiento de comunicación en la banda de frecuencias de 30 kHz - 721 kHz; cuando las dimensiones de la cerámica ferroeléctrica son a=15 mm, b=2 mm, la antena mecánica piezoeléctrica presenta una mayor eficacia de radiación y un mayor rendimiento de comunicación en la banda de frecuencias de 30 kHz - 761 kHz.
Amplificador de potencia recomendado: ATA-4014C
Especificaciones y parámetros del amplificador de potencia de alto voltaje ATA-4014C
Figura: Especificaciones y parámetros del amplificador de potencia de alto voltaje ATA-4014C
El caso anterior fue compilado por Aigtek Xi'an. Xi'an Aigtek Electronics es una empresa de alta tecnología especializada en la investigación, el desarrollo, la producción y la venta de instrumentos de medición electrónicos, incluidos amplificadores de potencia, amplificadores de alta tensión, fuentes de señal de potencia, preamplificadores para señales pequeñas, fuentes de tensión de alta precisión y fuentes de corriente de alta precisión, que proporcionan a los usuarios soluciones de prueba competitivas. Aigtek se ha convertido en un proveedor de instrumentos a gran escala con una amplia gama de líneas de productos en la industria, y las unidades de demostración están disponibles para su prueba gratuita.
Siguiendo el sistema de prueba de antena mecánica piezoeléctrica mostrado en la Figura 3-13, se probó y optimizó el impacto de la alimentación de la antena en el rendimiento de radiación de la antena mecánica. Las condiciones experimentales se establecieron como sigue: la distancia entre el transmisor y el receptor del sistema era de 1 metro; el generador de señales emitía una señal sinusoidal continua de 30 kHz - 1 MHz con una tensión pico a pico de 5 Vp-p; la ganancia del amplificador era de 9 veces, lo que daba como resultado una tensión de entrada de 45 Vp-p. Las sondas de alimentación semiconductoras, comúnmente utilizadas para medir señales débiles de corriente y tensión debido a su alta sensibilidad, bajo ruido y facilidad de operación, se colocaron directamente con sus puntas sobre la superficie de la antena mecánica piezoeléctrica, con el otro extremo conectado a la salida del amplificador. Se colocó una placa de cobre debajo de la antena mecánica para conectar a tierra el electrodo inferior. Dado que ligeros desplazamientos posicionales durante el funcionamiento de la cerámica piezoeléctrica pueden afectar a la vibración y degradar el rendimiento de la antena mecánica piezoeléctrica, se diseñó una plataforma de alimentación. Esta plataforma utiliza abrazaderas de plástico y muelles para fijar la cerámica piezoeléctrica. La chapa metálica de la plataforma de alimentación intercala una pieza cerámica en el centro, y se utiliza cobre o plata altamente conductores como metal de alimentación. La superficie inferior se utiliza para la conexión a tierra, mientras que la superficie superior de la plataforma de alimentación está conectada a la placa posterior de la plataforma de alimentación mediante un cable de alta temperatura para facilitar la conexión a la salida del amplificador de potencia.
Resultados experimentales: Basándose en el sistema de prueba de antenas mecánicas piezoeléctricas, se probó el rendimiento de radiación electromagnética de antenas mecánicas piezoeléctricas con diferentes materiales y dimensiones para verificar la viabilidad del material de la antena mecánica piezoeléctrica y el diseño estructural.
Se probaron las curvas de potencia recibida para P5-H y cerámica ferroeléctrica con diámetro a=15 mm y espesor b=2 mm en la gama de frecuencias de 30 kHz - 1 MHz. La Figura 3-18 muestra la potencia de las señales de ondas electromagnéticas recibidas por la antena de cuadro SAS-565L en la gama de frecuencias de 30 kHz - 1 MHz. Claramente, la antena de bucle recibió una mayor potencia de transmisión de la cerámica ferroeléctrica que de P5-H, lo que indica que la cerámica ferroeléctrica tiene un mejor rendimiento de radiación electromagnética. Cuando el diámetro a de la antena mecánica piezoeléctrica es de 7,5 mm, como se muestra en la Figura 3-18(b), la potencia recibida en el extremo receptor del sistema de prueba de antena mecánica piezoeléctrica disminuye gradualmente a medida que aumenta el grosor b de la antena mecánica, lo que sugiere que las antenas mecánicas piezoeléctricas más delgadas tienen una mayor eficacia de radiación. Del mismo modo, manteniendo el grosor de la antena mecánica constante en b=2 mm, cuando los diámetros a de la antena mecánica son de 7,5 mm, 15 mm y 30 mm respectivamente, la potencia recibida en el extremo receptor del sistema de comunicación de antena mecánica se refuerza gradualmente a medida que aumenta a. A modo de comparación, en la Figura 3-18(c) también se incluye la curva de potencia recibida para la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm. De la Figura 3-18(c) se desprende que cuando la frecuencia de radiación de la antena mecánica piezoeléctrica supera los 761 kHz, la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm presenta la radiación electromagnética más intensa. A partir del diagrama de impedancia de la Figura 3-10(b), se sabe que a frecuencias más altas, la impedancia de la cerámica ferroeléctrica con dimensiones a=15 mm, b=2 mm está más cerca de 50 Ω, de ahí la radiación más fuerte cuando la frecuencia supera los 721 kHz. En resumen, cuando las dimensiones de la cerámica ferroeléctrica son a=30 mm, b=1 mm, la antena mecánica piezoeléctrica presenta una mayor eficacia de radiación y un mayor rendimiento de comunicación en la banda de frecuencias de 30 kHz - 721 kHz; cuando las dimensiones de la cerámica ferroeléctrica son a=15 mm, b=2 mm, la antena mecánica piezoeléctrica presenta una mayor eficacia de radiación y un mayor rendimiento de comunicación en la banda de frecuencias de 30 kHz - 761 kHz.
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