低频电磁波具有超强的抗干扰能力和穿透性能,能够广泛应用于水下对潜通信、地下探测预警、空间远距离传输等领域。传统低频发射天线系统的结构尺寸受到频率的限制,使得其效率极低,无法满足实际需求。利用永磁体的机械运动来产生电磁辐射的低频机械天线直接将机械能转化为电磁能,突破了天线尺寸对频率的限制,很好地克服了这一问题。然而,当前对于机械天线的结构设计与电磁性能提高等方面的研究都还存在一定的缺陷和不足,因此,本文对机械天线的辐射单元、阵列结构及其调制方法展开了分析与设计,并进行了样机研制与实验验证等工作。具体研究内容如下:1.基于旋转永磁体的机械天线及其阵列电磁特性分析。首先,基于机械天线的辐射机理,选择性能最优的钕铁硼永磁体作为辐射单元。然后,分析了旋转永磁体式机械天线辐射单元模型的时域特性、频域特性、空间磁场分布、辐射单元的参数对电磁性能的影响等基本电磁特性。最后,为了提高机械天线的近区磁场特性,提出了二元天线阵列、旋转直线型海尔贝克阵列、旋转方形阵列这三种低频天线阵列。利用仿真计算,得到了三种阵列结构的基本电磁特性。结果表明,旋转方形阵列结构在保证相同的磁体体积的前提下,具有最强的近区磁场,比单个旋转永磁体的磁场提高了27.4%。2.机械天线样机研制和基本电磁特性验证。为了对提出的机械天线阵列结构的基本电磁特性进行验证,根据前面的设计对整个测试系统的发射天线和接收天线进行了样机制作,并搭建了用于测量机械天线近场基本电磁特性的测试系统,利用搭建的近场测试系统对机械天线的基本电磁特性进行了实验验证。实验结果表明,设计的机械天线阵列能够发射出时变电磁波信号,同时其电磁特性和仿真分析的结果趋于一致,验证了所提阵列天线模型的正确性。3.基于信号调制的机械天线设计。为了对机械天线的性能进一步优化,首先根据通信信号频率调制方法的基本原理及机械天线的辐射机理,提出了机械天线的频率调制方法,仿真分析了通信信号调制前后的变化。然后,提出了一种基于电磁阻调制的幅度调制方法,通过分析这种幅度调制方法的机理,确定了影响调制效果的因素,并设计了对应的幅度调制装置。最后,对设计的幅度调制装置进行了原理样机制作及实验验证。实验测试结果一方面验证了仿真模型的正确性,另一方面也验证了本文所设计的幅度调制装置的有效性。