CN111416211A - 一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线及制备方法，包括应力传导介质、压电堆、磁致伸缩材料和线圈；两个应力传导介质之间平行设置压电堆和磁致伸缩材料；线圈螺旋缠绕在磁致伸缩材料上；压电堆包括压电材料和叉指电极；若干层压电材料纵向叠加排布，每相邻两层压电材料的极化方向相反，且每相邻两层压电材料之间设置有一层叉指电极。本发明的天线具有体积小，在高电损耗环境中近场损耗低、信号传播距离远的优点。

Description

一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线及制备方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线及制备方法。
背景技术
在水下、地底以及人体内部等环境下进行通讯要求天线能够在有损耗的导电环境中传输信号。传统电学天线近场主要是电场，在这些环境中信号损耗较大。另外，为了增强信号的穿透能力，在这些环境下常常使用超低频(ULF,300Hz至3kHz)信号。传统天线主要依赖电磁共振，这使得天线的尺寸通常大于电磁波波长的十分之一，否则会影响信号的带宽和增益。因此，当信号频率较低时，天线的尺寸相应会非常大，限制其在集成器件、物联网、分布式传感等新兴领域的应用，在不影响性能的前提下将天线小型化是一个重要的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线及制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，包括应力传导介质、压电堆、磁致伸缩材料和线圈；两个应力传导介质之间平行设置压电堆和磁致伸缩材料；线圈螺旋缠绕在磁致伸缩材料上；
压电堆包括压电材料和叉指电极；若干层压电材料纵向叠加排布，每相邻两层压电材料的极化方向相反，且每相邻两层压电材料之间设置有一层叉指电极。
进一步的，压电堆和磁致伸缩材料的两端均设置有半球形端帽，半球形端帽对应处的应力传导介质上设置有锥形槽端帽，半球形端帽嵌套在锥形槽端帽内。
进一步的，若干层压电材料外部侧面涂覆环氧树脂。
进一步的，压电堆和磁致伸缩材料之间平行设置有铰链，铰链的两端分别交接在两个应力传导介质上。
进一步的，压电堆为多层结构，材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种；
磁致伸缩材料为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种。
进一步的，叉指电极材料采用Au、Ag、Al、Cu或Pt，形状为薄片状，横截面与压电堆1的横截面相同；线圈为塑料外壳的绝缘线；应力传导介质、锥形槽端帽的材料为弹性模量大于60GPa的抗磁性金属、合金或者工程塑料；半球形端帽为氧化铝、氧化锆、碳化硅等中的一种。
进一步的，压电堆为多层结构，横截面为直径1-10mm的圆形，或长度为1-20mm，宽度为1-20mm的长方形，每层压电材料的厚度为0.01-2mm；磁致伸缩材料为直径为1-10mm的圆柱体，或者横截面积小于200mm2的长方体、正方体。
进一步的，半球形端帽的尺寸满足其切面能够完整覆盖压电堆和磁致伸缩材料的上下表面；锥形槽端帽的底面半径和厚度与半球形端帽的半径相同；铰链在连接应力传导介质后能将压电堆和磁致伸缩材料卡在两端。
进一步的，一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供多片压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，将每片压电材料的上下表面通过电镀、银浆退火等方式做好银电极，并沿厚度方向极化；
步骤3，将叉指电极夹在两层压电材料之间，相邻的两层压电材料的极化方向相反，通过堆叠方式形成多层压电堆，在预紧力作用下，在压电堆侧面涂覆环氧树脂，固化后形成多层压电堆；
步骤4，提供所需的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料制作成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤5，在磁致伸缩材料上均匀缠绕线圈，线圈通电后用于提供偏置磁场；
步骤6，提供两块大小相同的所需应力传导材料，平行放置后在中间合适位置通过铰链5连接形成对称或不对称的“工”字形杠杆结构，也可直接利用一块应力传导材料制作成类似的“工”字形结构，使在应力传导介质和铰链所在的平面内，上下两部分材料均可以绕各自与铰链的连接点转动；
步骤7，提供所需的陶瓷材料和与步骤中材料相同的应力传导材料，分别切割成合适尺寸的四个半球形端帽与四个锥形槽端帽；
步骤8，用环氧树脂将四个半球形端帽分别粘合在压电堆和磁致伸缩材料的上下表面，将四个锥形槽端帽分别粘合在“工”字形杠杆结构四个自由端的内侧；
步骤9，将压电堆与磁致伸缩材料分别卡在杠杆两端，分别被应力传导介质的左右两端夹持，使对应位置的半球形端帽和锥形槽端帽结合。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的天线与电学天线相比，近场主要是磁场而非电场，表现出明显较小的近场损耗。磁电天线还不受电学天线波长理论的体积限制，利用压电/磁致伸缩耦合的磁电效应，通过磁致伸缩材料的机械振动引起周边磁通量的变化，继而激发出电磁波，克服了传统天线对尺寸的依赖性，并利用“工”字形杠杆结构进一步提高了天线的空间利用率，在保证天线性能的情况下实现了天线的小型化。本发明的天线具有体积小，在高电损耗环境中近场损耗低、信号传播距离远的优点。
附图说明
图1是本发明的磁电天线总体结构示意图；
其中：1、压电堆；2、磁致伸缩材料；3、叉指电极；4、线圈；5、铰链；6、应力传导介质；7、压电材料层；8、环氧树脂涂层；9、压电材料的极化方向；10、半球形端帽；11、锥形槽端帽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1，一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，包括应力传导介质6、压电堆1、磁致伸缩材料2和线圈4；两个应力传导介质6之间平行设置压电堆1和磁致伸缩材料2；线圈4螺旋缠绕在磁致伸缩材料2上；
压电堆1包括压电材料7和叉指电极3；若干层压电材料7纵向叠加排布，每相邻两层压电材料7的极化方向相反，且每相邻两层压电材料7之间设置有一层叉指电极3。
压电堆1和磁致伸缩材料2的两端均设置有半球形端帽10，半球形端帽10对应处的应力传导介质6上设置有锥形槽端帽11，半球形端帽10嵌套在锥形槽端帽11内。
若干层压电材料7外部侧面涂覆环氧树脂8。
压电堆1和磁致伸缩材料2之间平行设置有铰链5，铰链5的两端分别交接在两个应力传导介质6上。
压电堆1为多层结构，材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种；
磁致伸缩材料2为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种。
叉指电极3材料采用Au、Ag、Al、Cu或Pt，形状为薄片状，横截面与压电堆1的横截面相同；线圈4为塑料外壳的绝缘线；应力传导介质6、锥形槽端帽11的材料为弹性模量大于60GPa的抗磁性金属、合金或者工程塑料；半球形端帽10为氧化铝、氧化锆、碳化硅等中的一种。
压电堆1为多层结构，横截面为直径1-10mm的圆形，或长度为1-20mm，宽度为1-20mm的长方形，每层压电材料7的厚度为0.01-2mm；磁致伸缩材料2为直径为1-10mm的圆柱体，或者横截面积小于200mm2的长方体、正方体。
半球形端帽10的尺寸满足其切面能够完整覆盖压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面；锥形槽端帽11的底面半径和厚度与半球形端帽10的半径相同；铰链5在连接应力传导介质6后能将压电堆1和磁致伸缩材料2卡在两端。
一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供多片压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，将每片压电材料7的上下表面通过电镀、银浆退火等方式做好银电极，并沿厚度方向极化；
步骤3，将叉指电极3夹在两层压电材料7之间，相邻的两层压电材料7的极化方向9相反，通过堆叠方式形成多层压电堆，在预紧力作用下，在压电堆侧面涂覆环氧树脂8，固化后形成多层压电堆1；
步骤4，提供所需的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料制作成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤5，在磁致伸缩材料2上均匀缠绕线圈4，线圈4通电后用于提供偏置磁场；
步骤6，提供两块大小相同的所需应力传导材料6，平行放置后在中间合适位置通过铰链5连接形成对称或不对称的“工”字形杠杆结构，也可直接利用一块应力传导材料制作成类似的“工”字形结构，使在应力传导介质6和铰链5所在的平面内，上下两部分材料均可以绕各自与铰链5的连接点转动；
步骤7，提供所需的陶瓷材料和与步骤6中材料相同的应力传导材料，分别切割成合适尺寸的四个半球形端帽10与四个锥形槽端帽11；
步骤8，用环氧树脂将四个半球形端帽10分别粘合在压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面，将四个锥形槽端帽11分别粘合在“工”字形杠杆结构四个自由端的内侧；
步骤9，将压电堆1与磁致伸缩材料2分别卡在杠杆两端，分别被应力传导介质6的左右两端夹持，使对应位置的半球形端帽10和锥形槽端帽11结合。
请参阅图1所示，本发明的超低频磁电天线，包括：压电堆1、磁致伸缩材料2、叉指电极3、线圈4、铰链5、应力传导介质6以及半球形端帽10和锥形槽端帽11。压电堆1由多层压电材料7组成，其中每相邻两层压电材料7的极化方向9相反，且中间有一层叉指电极3薄片，多层堆积后在侧面涂覆环氧树脂8固化形成压电堆1；压电堆1的上下表面均贴有半球形端帽10；磁致伸缩材料2上绕有线圈4，上下表面也贴有半球形端帽；两块大小、形状相同的应力传导介质6互相平行，中间合适位置通过铰链5连接形成对称或不对称的“工”字形杠杆结构；在杠杆结构中，每块应力传导介质6两端的内侧都贴有锥形槽端帽11，用于配合半球形端帽10；连接叉指电极3的压电堆1与绕有线圈4的磁致伸缩材料2置于杠杆两端的锥形槽端帽11处，分别被应力传导介质6的左右两端夹持。
压电堆1为多层结构，材料可以是压电单晶或压电陶瓷，为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种。
磁致伸缩材料2为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种。
叉指电极3材料采用Au、Ag、Al、Cu、Pt等导电性较好的金属或合金，形状为薄片状，横截面与压电堆1的横截面相同。
线圈4可以选择漆包线、杜邦线、塑料外壳的绝缘线等，匝数根据所需偏置磁场的大小进行调整。
应力传导介质6、锥形槽端帽11的材料应使用弹性模量大于60GPa的抗磁性金属、合金或者工程塑料，如黄铜、紫铜、磷青铜、铝合金、钛合金等中的一种。
半球形端帽10使用结构强度较高的陶瓷材料，为氧化铝、氧化锆、碳化硅等中的一种。
压电堆1为多层结构，横截面可以是圆形，直径1-10mm，也可以是长方形或者正方形，长度为1-20mm，宽度为1-20mm，每层压电材料7的厚度为0.01-2mm；磁致伸缩材料2为圆柱体(直径为1-10mm)，或者长方体、正方体(横截面积小于200mm2)，长度可根据天线的工作频率进行调整；半球形端帽10的尺寸应保证其切面能够完整覆盖压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面；锥形槽端帽11的底面半径和厚度与半球形端帽10的半径相同；铰链5的长度和安装位置根据所用磁致伸缩材料2的长度决定，使其连接应力传导介质6后能恰好将压电堆1和磁致伸缩材料2卡在两端；应力传导介质6的尺寸可根据压电堆1的厚度及磁致伸缩材料2的长度进行调整，压电堆1的厚度与磁致伸缩材料2的长度可以相等，也可以不相等，在与应力传导介质6装配时，由柔性铰链5的弯曲进行尺寸的适配。
在此设置中，施加到压电堆1上的电压信号会使其产生动态的轴向应力，通过杠杆结构和端帽压缩磁致伸缩材料2来传递机械振动，半球形端帽和锥形槽端帽的结合保证了应力方向始终是轴向，避免杠杆转动时压电堆和磁致伸缩材料受到侧向应力而受损；在一定偏置磁场的条件下，磁致伸缩材料2的内部磁通量会发生变化，从而在天线周围的自由空间中产生电磁波信号，用以传递信息。
该天线利用逆磁电效应工作。通过叉指电极3向压电堆1施加一定的电压信号时，压电堆1感应到电场的变化并在其内部产生机械振动，该振动利用应力传导介质6构成的杠杆结构压缩和磁致伸缩材料2，以体声波的形式将振动传递过去，在一定的偏置磁场条件下引起磁致伸缩材料2内部磁化强度的变化，并在周围自由空间中激发出电磁波，实现了信号的发射功能。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，包括应力传导介质(6)、压电堆(1)、磁致伸缩材料(2)和线圈(4)；两个应力传导介质(6)之间平行设置压电堆(1)和磁致伸缩材料(2)；线圈(4)螺旋缠绕在磁致伸缩材料(2)上；
压电堆(1)包括压电材料(7)和叉指电极(3)；若干层压电材料(7)纵向叠加排布，每相邻两层压电材料(7)的极化方向相反，且每相邻两层压电材料(7)之间设置有一层叉指电极(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，压电堆(1)和磁致伸缩材料(2)的两端均设置有半球形端帽(10)，半球形端帽(10)对应处的应力传导介质(6)上设置有锥形槽端帽(11)，半球形端帽(10)嵌套在锥形槽端帽(11)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，若干层压电材料(7)外部侧面涂覆环氧树脂(8)。
4.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，压电堆(1)和磁致伸缩材料(2)之间平行设置有铰链(5)，铰链(5)的两端分别交接在两个应力传导介质(6)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，压电堆1为多层结构，材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种；
磁致伸缩材料2为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，叉指电极3材料采用Au、Ag、Al、Cu或Pt，形状为薄片状，横截面与压电堆1的横截面相同；线圈4为塑料外壳的绝缘线；应力传导介质6、锥形槽端帽11的材料为弹性模量大于60GPa的抗磁性金属、合金或者工程塑料；半球形端帽10为氧化铝、氧化锆、碳化硅等中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，压电堆1为多层结构，横截面为直径1-10mm的圆形，或长度为1-20mm，宽度为1-20mm的长方形，每层压电材料7的厚度为0.01-2mm；磁致伸缩材料2为直径为1-10mm的圆柱体，或者横截面积小于200mm2的长方体、正方体。
8.根据权利要求2所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，其特征在于，半球形端帽10的尺寸满足其切面能够完整覆盖压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面；锥形槽端帽11的底面半径和厚度与半球形端帽10的半径相同；铰链5在连接应力传导介质6后能将压电堆1和磁致伸缩材料2卡在两端。
9.一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的一种基于逆磁电效应的超低频磁电天线，包括以下步骤：
步骤1，提供多片压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，将每片压电材料7的上下表面通过电镀、银浆退火等方式做好银电极，并沿厚度方向极化；
步骤3，将叉指电极3夹在两层压电材料7之间，相邻的两层压电材料7的极化方向9相反，通过堆叠方式形成多层压电堆，在预紧力作用下，在压电堆侧面涂覆环氧树脂8，固化后形成多层压电堆1；
步骤4，提供所需的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料制作成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤5，在磁致伸缩材料2上均匀缠绕线圈4，线圈4通电后用于提供偏置磁场；
步骤6，提供两块大小相同的所需应力传导材料6，平行放置后在中间合适位置通过铰链5连接形成对称或不对称的“工”字形杠杆结构，也可直接利用一块应力传导材料制作成类似的“工”字形结构，使在应力传导介质6和铰链5所在的平面内，上下两部分材料均可以绕各自与铰链5的连接点转动；
步骤7，提供所需的陶瓷材料和与步骤6中材料相同的应力传导材料，分别切割成合适尺寸的四个半球形端帽10与四个锥形槽端帽11；
步骤8，用环氧树脂将四个半球形端帽10分别粘合在压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面，将四个锥形槽端帽11分别粘合在“工”字形杠杆结构四个自由端的内侧；
步骤9，将压电堆1与磁致伸缩材料2分别卡在杠杆两端，分别被应力传导介质6的左右两端夹持，使对应位置的半球形端帽10和锥形槽端帽11结合。
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