CN111585018B - 一种可调频的超低频机械天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调频的超低频机械天线结构,属于超低频通信技术领域，该天线结构包括产生静磁场的静磁场产生模块和对静磁场产生模块进行切割产生随时间变化电磁场的切割静磁场模块，静磁场产生模块包括电机、多个永磁体、固定旋转电机和多个永磁体的支撑框架；支撑框架布置在电机的外部；多个永磁体均匀的布置在支撑框架的外表面，切割静磁场模块包括圆盘、带有锯齿的圆片和控制圆片的锯齿长度变化和驱动圆片运动的控制开关，锯齿圆片齿数为时变磁场频率与旋转电机工作频率的比值，通过改变机械运动方式，在尽量减小对磁感应强度的削弱的同时，提高机械天线产生电磁波的频率，以满足传输过程中对频率的要求。

Description

一种可调频的超低频机械天线结构
技术领域
本发明涉及超低频通信技术领域，尤其涉及一种可调频的超低频机械天线结构。
背景技术
2017年9月美国DARPA(美国国防高级研究计划局)开展了为期45个月的“机械天线”计划，该计划拟通过机械装置驱动驻极体或永磁体材料产生射频信号进行传播。此方法可极大幅度减少低频导航通信系统发射天线的体积和功耗，实现无线电发射系统的重大变革性和颠覆性创新。寻求利用超低频(SLF)无线电波的优点，实现战略超远程、穿透性通信,以克服传统天线通信方式基础设施过于庞大，缺乏战略掩护等缺点。同时可以为陆军的超视距通信和地下通信提供支撑，显著减小现有低频通讯设备的尺寸、重量和功耗。
基于永磁体材料设计的机械天线式超低频发射天线往往采用机械运动方式加速永磁体，以实现超低频波段电磁波的高效辐射。该设计下天线结构为圆筒状，天线支撑结构上附着带有磁性的永磁体，通过旋转电机带动软磁卡盘旋转以产生超低频波段电磁波，并且根据不同频段软磁材料锯齿可以收缩以实现调频功能。
对永磁体旋转式机械天线，信号接收点处磁感应强度的频率与天线转速成线性关系。因此，该设计下的机械天线所产生电磁波的频率受旋转电机转速的限制。并且在一定功率下，旋转电机的扭矩与转速成反比，增大转速会降低电机带载能力，使辐射强度降低。另一方面，由于频率与带宽成正比，更高的频率在衰减增大的同时也能传输更多数据，完成更复杂的通讯。因此传统的永磁体旋转方式不能满足实际通讯中对天线发射电磁波频率的要求。所以期望通过改变机械运动方式，在尽量减小对磁感应强度的削弱的同时，提高机械天线产生电磁波的频率，以满足传输过程中对频率的要求。
发明内容
目前在解决已有超低频体积较大问题的基础上，为进一步解决机械天线激励电磁波频率受电机转速限制导致电磁波频率无法满足实际通讯中频率的要求，本发明公开了一种可调频的超低频机械天线结构，一种可调频的超低频机械天线结构,包括产生静磁场的静磁场产生模块和对所述静磁场产生模块进行切割产生随时间变化电磁场的切割静磁场模块。
进一步地，所述静磁场产生模块包括电机、多个永磁体、固定旋转电机和多个永磁体的支撑框架；
所述支撑框架布置在所述电机的外部；
所述多个永磁体均匀的布置在所述支撑框架的外表面。
进一步地，所述切割静磁场模块包括圆盘、带有锯齿的圆片和控制所述圆片的锯齿长度变化和驱动所述圆片运动的控制开关，所述圆盘和所述圆片同轴相连接，所述圆片和控制开关固定在所述圆盘的内部，所述控制开关与所圆片电连接。
进一步地，所述永磁体采用轴向磁化条形永磁体。
进一步地，所述永磁体产生的磁力线方向与所述电机轴的方向一致。
进一步地，所述圆片由软磁材料构成。
进一步地，所述圆盘由铝合金材料构成。
进一步地，所述圆片的锯齿包括锯齿Ⅰ和锯齿Ⅱ，所述锯齿Ⅰ和所述锯齿Ⅱ的长度相等，所述锯齿Ⅰ通过所述控制开关与所述锯齿Ⅱ伸缩连接。
进一步地，所述圆盘和所述圆片的半径根据所电机的直径和永磁体的宽度进行确定，所述圆片锯齿的长度等于所述永磁体宽度的2倍。
进一步地，所述电机与所述圆盘通过连接头相连接。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种可调频的超低频机械天线结构，采用驱动永磁材料有别于常见的是直接驱动永磁体转动，带锯齿的圆片质量轻、易加工，驱动消耗功率减小，并且通过改变圆片齿数实现调频，调频不需要改变电机转速，降低对电机的损耗，锯齿圆片齿数为时变磁场频率与旋转电机工作频率的比值，通过改变机械运动方式，在尽量减小对磁感应强度的削弱的同时，提高机械天线产生电磁波的频率，以满足传输过程中对频率的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的模块图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明电磁场产生模块的侧面图；
图4(a)为本发明的1个永磁体个数仿真结果图；
图4(b)为本发明的4个永磁体个数仿真结果图；
图4(c)为本发明的8个永磁体个数仿真结果图。
图中：100、静磁场产生模块，200、切割静磁场模块，1、电机，2、支撑框架，3、永磁体，4、圆盘，5、圆片，6、控制开关，7、连接头，40、锯齿Ⅰ，41、锯齿Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
图1为本发明的模块图；图2为本发明的结构示意图；一种可调频的超低频机械天线结构,包括产生静磁场的静磁场产生模块100和对所述静磁场产生模块100进行切割产生随时间变化电磁场的切割静磁场模块200。
图3为本发明电磁场产生模块的侧面图；所述静磁场产生模块100包括电机1、多个永磁体3、固定电机1和多个永磁体3的支撑框架2；
所述支撑框架2为圆桶状；
所述永磁体3的数量是16个，所述永磁体3采用轴向磁化条形永磁体3，每个永磁体3的尺寸、材料参数、磁参数都相同，16个永磁体3在支撑框2架的圆周方向上均匀分布；
所述支撑框架2布置在所述电机1的外部；
所述多个永磁体3均匀的布置在所述支撑框架2的外表面；所述永磁体3产生的磁力线方向与所述电机1轴的方向一致；
所述切割静磁场模块200包括圆盘4、带有锯齿的圆片5和控制所述圆片5的锯齿长度变化和驱动所述圆片5运动的控制开关6，所述圆盘4和所述圆片5同轴相连接，所述圆片5和控制开关6固定在所述圆盘4的内部，所述圆盘4旋转带动圆片5旋转；
所述控制开关6与所圆片5电连接，所述电机1与所述圆盘4通过连接头7相连接。
所述圆盘4，共有18个锯齿，每个锯齿包括锯齿Ⅰ40和锯齿Ⅱ41，所述锯齿Ⅰ40和所述锯齿Ⅱ41的长度相等，所述锯齿Ⅰ40通过所述控制开关6与所述锯齿Ⅱ41伸缩连接，所述锯齿Ⅰ40可以伸缩到所述锯齿Ⅱ41里。
进一步地，所述圆片5的锯齿齿数为时变磁场频率与电机1工作频率的比值。
进一步地，所述圆片5由软磁材料构成，具有低矫顽力和高磁导率和较小质量，易于磁化，也易于退磁。
进一步地，所述圆盘4由不被磁化的材料，如铝合金、镁合金等材料制成。
进一步地：所述圆盘4和所述圆片5的半径根据所电机1的直径和永磁体3的宽度进行确定，所述圆片5的锯齿的长度等于所述永磁体宽度的2倍，电机1的中心到永磁体外沿的距离为圆片5的直径。圆盘4的直径为圆片5的直径减去锯齿Ⅱ41长度。
该天线结构的工作过程，电机1通过外部包围的多个永磁体3，产生静磁场，再通过电机1旋转带动圆盘4旋转；圆盘4转动以带动锯齿圆片5旋转，圆片5旋转对永磁体3静磁场扰动形成时变磁场，产生通信所需电磁波；通过控制开关6使圆片5的锯齿Ⅰ40运动，当锯齿Ⅰ40全部进入锯齿Ⅱ41便不会对静磁场起到干扰作用，控制锯齿个数完成调频。
图4(a)为本发明的1个永磁体个数仿真结果图；图4(b)为本发明的4个永磁体个数仿真结果图；图4(c)为本发明的8个永磁体个数仿真结果图，圆片5的齿数均为8，圆片5旋转产生的时变磁场频率情况，
通过图4(a)、4(b)和4(c)得知，改变永磁体3的个数无法改变时变磁场频率，时变磁场频率的改变是通过齿数的改变实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调频的超低频机械天线结构，其特征在于:包括产生静磁场的静磁场产生模块（100）和对所述静磁场产生模块（100）进行切割产生随时间变化电磁场的切割静磁场模块（200）；
所述静磁场产生模块（100）包括电机（1）、多个永磁体（3）、固定电机（1）和多个永磁体（3）的支撑框架（2）；
所述支撑框架（2）布置在所述电机（1）的外部；
所述永磁体（3）产生的磁力线方向与所述电机（1）轴的方向一致；
所述多个永磁体（3）均匀的布置在所述支撑框架（2）的外表面；
所述切割静磁场模块（200）包括圆盘（4）、带有锯齿的圆片（5）和控制所述圆片（5）的锯齿长度变化和驱动所述圆片运动的控制开关（6），所述圆盘（4）和所述圆片（5）同轴相连接，所述圆片（5）和控制开关（6）固定在所述圆盘（4）的内部，所述控制开关（6）与所述圆片（5）电连接；
所述电机（1）旋转带动圆盘（4）旋转；圆盘（4）转动以带动锯齿圆片（5）旋转；
所述圆片（5）的锯齿包括锯齿Ⅰ（40）和锯齿Ⅱ（41），所述锯齿Ⅰ（40）可以伸缩到所述锯齿Ⅱ（41）里；
所述锯齿Ⅰ（40）和所述锯齿Ⅱ（41）的长度相等，所述锯齿Ⅰ（40）通过所述控制开关（6）与所述锯齿Ⅱ（41）伸缩连接。
2.根据权利要求1所述的一种可调频的超低频机械天线结构,其特征还在于：所述永磁体（3）采用轴向磁化条形永磁体。
3.根据权利要求1所述的一种可调频的超低频机械天线结构,其特征还在于：所述圆片（5）由软磁材料构成。
4.根据权利要求1所述的一种可调频的超低频机械天线结构,其特征还在于：所述圆盘（4）由铝合金材料构成。
5.根据权利要求1所述的一种可调频的超低频机械天线结构,其特征还在于：所述圆盘（4）和所述圆片（5）的半径根据所电机（1）的直径和永磁体（3）的宽度进行确定，所述圆片（5）锯齿的长度等于所述永磁体（3）宽度的2倍。
6.根据权利要求1所述的一种可调频的超低频机械天线结构,其特征还在于：所述电机（1）与所述圆盘（4）通过连接头（7）相连接。
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