CN111585046B - 基于旋转永磁体的机械天线阵列系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转永磁体的机械天线阵列系统，主要解决现有技术中的机械天线电荷极化困难以及在复杂电磁环境中的辐射强度低的问题。其包括旋转电机(1)、转盘(2)、天线阵列(3)；该旋转电机通过其电机轴与转盘相连接；该天线阵列是由位于同一平面内的多个永磁体天线单元组成不同形状的几何体，并固定在转盘上；旋转电机周期性地往复旋转，带动天线阵列往复运动，通过调整旋转电机的转速，改变旋转电机的工作频率，使其天线阵列产生超低频或甚低频电磁信号；通过调整天线阵列各单元之间的间距，改变机械天线系统的辐射强度。本发明减小了天线的尺寸，提高天线系统的辐射强度，可用于超低频、甚低频通信。

Description

基于旋转永磁体的机械天线阵列系统

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种天线阵列系统，可用于超低频、甚低频通信。

背景技术

超低频、甚低频电磁波信号由于频率较低，它们对应的波长均很长，具有很强的穿透性能和传播性能，能够在水下或者恶劣环境中进行传播，同时还能进行远距离传播，如不仅能在水下、岩石、金属中进行传播，还能够在电离层中进行洲际传播，因而具有十分重要的应用。

近年来，在不断研究和优化传统天线的同时，研究者们又在积极寻求一种能够适应不同环境且能够发射或者接收不同频段电磁波的新型天线。2017年美国国家高级研究计划局DARPA宣布正式启动机械天线AMEBA项目,该项目主要寻求一种在陆地、水中、地下均可以传播的小型、轻质、高效能的全新VLF以及ULF发射装置。传统形式的天线显然不能满足这些需要，因此研究出一种能够突破传统天线的尺寸限制且能够在不同介质中传输很远距离的新型天线已经成为目前的研究热点。相比于传统的依靠高频振荡电流来辐射电磁信号的甚低频发射天线而言，机械天线则通过驻极体或者永磁体的机械运动，在空间产生一定的时变电磁场，然后通过电磁感应，最终产生电磁波信号。

东南大学王宗新等人通过旋转带电导体板设计了一种超小型ulf发射天线，这种天线对于如何聚集更多的电荷以提高辐射强度具有一定的挑战。北京航天航空大学崔勇等人通过研究驻极体材料设计了基于驻极体材料的低频通信系统，同样面临着电荷极化困难以及辐射强度难以提高的不足。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于旋转永磁体的机械天线阵列系统，以解决驻极体和带电导体板式机械天线电荷极化困难、在复杂电磁环境中的辐射强度难以提高的问题。

为实现上述目的，本发明基于旋转永磁体的机械天线阵列系统，包括旋转电机、转盘、天线阵列，其特征在于：

所述的旋转电机通过其电机轴与转盘相连接；

所述的天线阵列由位于同一平面内的四个相位差均为90°的永磁体构成四边形结构，并固定在转盘上，旋转电机周期性地往复旋转，带动天线阵列往复运动，通过调整旋转电机的转速，产生超低频、甚低频电磁信号。

作为优选，所述旋转电机采用变频电机，其转速在0-6000转每秒范围内可调。

作为优选，所述转盘由采用高分子复合材料，其半径为20-100mm,厚度为5-10mm。

作为优选，所述永磁体采用NdFeB型永磁体材料，其长为6-10mm,宽为0.5-2mm，高为0.5-2mm。

作为优选，固定在转盘上的天线阵列，其阵元之间的间距可通过固定件任意调节，以改变机械天线系统的辐射强度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明的机械天线阵列单元采用NdFeB型永磁体材料，由于NdFeB型永磁体材料是目前磁性最强的永磁体，能够永久性保持磁性，因此保证了机械天线在使用过程中的稳定性，且可长久使用，提高了使用寿命。

第二，本发明由于用位于同一平面内的四个相位差均为90°的永磁体构成四边形结构的天线阵列，其比总体积相同的单个旋转永磁体产生了更大的磁场信号强度，且整个天线阵列尺寸相比于高相等、长宽均为永磁体阵列中永磁体二倍的单个永磁体小，因而能够减小天线的尺寸，实现天线的小型化，并且提高天线系统的辐射强度。

第三，本发明由于其转盘采用高分子复合材料，具有较高的强度刚度和稳定性且质量较轻，减小了整个机械天线系统的重量，实现了机械天线阵列系统的轻量化。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中的方形结构天线阵列结构示意图；

图3是本发明中的平行四边形结构天线阵列结构示意图；

图4是本发明中的二元平行结构天线阵列结构示意图；

图5是本发明系统的时域波形仿真图；

图6是本发明系统的频谱仿真图；

图7是本发明系统的辐射强度对比图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施进行说明：

参照图1，本发明基于旋转永磁体的机械天线阵列系统，包括旋转电机1、转盘2、天线阵列3；该旋转电机1采用变频电机，其转速在0-6000转每秒范围内可调，并通过其电机轴与转盘2相连接；转盘2采用高分子复合材料，其半径为20-100mm,厚度为5-10mm；该天线阵列3是由多个天线单元组成不同形状的几何体，并固定在转盘2上；每个天线单元采用NdFeB型方柱形永磁体材料，其长为6-10mm,宽为0.5-2mm，高为0.5-2mm；所有天线单元均位于同一平面内；旋转电机1周期性地往复旋转，带动天线阵列3往复运动，通过调整旋转电机1的转速，使其天线阵列产生超低频、甚低频电磁信号；通过调整天线阵列3的永磁体单元之间的间距，改变机械天线系统的辐射强度。

以下给出几种不同的实施例：

实施例一，超低频方形结构机械天线阵列系统。

该系统包括旋转电机1、转盘2、天线阵列3；该旋转电机1采用变频电机，并通过其电机轴4与转盘2相连接；转盘2的半径取50mm,厚度取7.5mm；该天线阵列3由四个位于同一平面内，且相位差依次为90°的永磁体天线单元组成的方形结构，该结构的长在10mm-30mm范围内可调,宽在10-30mm范围内可调,如图2所示，并通过固定件固定在转盘2上；每个天线单元采用长为8mm、宽为1.5mm、高为1mm的NdFeB型方柱形永磁体；将变频电机的转速调整在0-3000转每秒时，即旋转电机工作频率在3000Hz以下时，通过旋转电机1周期性地往复旋转，带动方形结构的永磁体天线阵列3往复运动，发射出超低频电磁波信号，可用于近场通信。通过调整方形结构的长和宽来改变天线单元之间的间距，从而改变机械天线系统的辐射强度。

实施例二，甚低频平行四边形结构机械天线阵列系统。

该系统包括旋转电机1、转盘2、天线阵列3；该旋转电机1采用变频电机，并通过其电机轴4与转盘2相连接；转盘2的半径取100mm,厚度取10mm；该天线阵列3是由四个位于同一平面内的永磁体天线单元组成平行四边形结构，该结构的相邻两邻边长度在10-50mm范围内可调,如图3所示，该平行四边形结构相邻两内角分别为60°和120°；该天线阵列通过固定件固定在转盘2上；每个天线单元采用长为10mm、宽为2mm、高为1.5mm的NdFeB型方柱形永磁体；将变频电机的转速调整在3000-6000转每秒时，即旋转电机工作频率在3000-6000Hz时。通过旋转电机1周期性地往复旋转，带动平行四边形结构的永磁体天线阵列3往复运动，发射出甚低频电磁波信号，可用于近场通信。通过调整平行四边形形结构相邻两邻边长度来改变天线单元之间的间距，从而改变机械天线系统的辐射强度。

实施例三，二元平行结构机械天线阵列系统。

该系统包括旋转电机1、转盘2、天线阵列3；该旋转电机1采用变频电机，并通过其电机轴4与转盘2相连接；转盘2的半径取20mm,厚度取5mm；该天线阵列3是由两个位于同一平面内的方柱形永磁体天线单元组成的平行结构，该结构的永磁体单元之间的间距在10-15mm范围内可调,如图4所示，并粘接在转盘2上；每个永磁体天线单元采用长为6mm、宽为1mm、高为0.5mm的NdFeB型方柱形永磁体；调整旋转电机1的转速在0-3000转每秒时，即旋转电机工作频率在3000Hz以下时，旋转电机1周期性地往复旋转，带动天线阵列3往复运动，发射出超低频电磁波信号；调整旋转电机1的转速在3000-6000转每秒时，即旋转电机工作频率在3000-6000Hz时，发射出甚低频电磁波信号；超低频、甚低频电磁波信号均可用于近场通信。通过调整平行结构的永磁体单元之间的间距，改变机械天线系统的辐射强度。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

一.仿真条件

仿真中设置旋转电机转速均为500转每秒，传输介质均为空气，旋转域为真空，其余环境均为理想状态，测试点为距旋转中心0.9m处。

二.仿真内容

仿真1，在上述条件下仿真本发明实施例1的时域波形图，结果如图5所示，从图5可以看出，超低频方形结构机械天线阵列系统产生的时域波形为正弦函数形式，在0.9m处其磁场强度最大幅值可达1.86*10^-6T。

仿真2，在上述条件下仿真本发明实施例1的频谱图，结果如图6所示，从图6可以看出，超低频方形结构机械天线阵列系统产生的辐射电磁波信号的主频率等于旋转电机的工作频率，即当旋转电机的工作频率为500Hz时，超低频方形结构机械天线阵列系统产生的辐射电磁波信号的主频率也为500Hz。

仿真3，在上述条件下仿真单个旋转永磁体与本发明实施例一和实施例三的辐射强度对比图，结果如图7所示，其中曲线A表示现有单个旋转永磁体的辐射磁场强度，曲线B表示实施例三的二元平行结构机械天线阵列系统的辐射磁场强度，曲线C表示实施例一的超低频方形结构机械天线阵列系统的辐射磁场强度。从图7可以看出，本发明的两个实例与单个旋转永磁体相比，随着天线单元的增加，整个机械天线系统的最大辐射强度逐渐增强，超低频方形结构机械天线阵列系统产生的最大辐射强度比单个旋转永磁体提高了1.38*10^-6T。

以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于旋转永磁体的机械天线阵列系统，包括旋转电机(1)、一个转盘(2)、天线阵列(3)，其特征在于：

所述的旋转电机(1)通过其电机轴(4)与转盘(2)相连接；

所述的天线阵列(3)由位于同一平面内的多个永磁体构成不同的几何形状结构，并固定在所述转盘上(2)上，旋转电机(1)周期性地往复旋转，带动天线阵列(3)往复运动，通过调整旋转电机的转速，产生超低频、甚低频电磁信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述旋转电机(1)采用变频电机，其转速在0-6000转每秒范围内可调。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述转盘(2)由采用高分子复合材料，其半径为20-100mm,厚度为5-10mm。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述永磁体采用NdFeB型永磁体材料，其长为6-10mm,宽为0.5-2mm，高为0.5-2mm。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于天线阵列(3)由四个位于同一平面内，且相位差依次为90°的永磁体天线单元组成方形结构。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于天线阵列(3)由四个位于同一平面内且相邻两内角分别为60°和120°的永磁体天线单元组成平行四边形结构。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于天线阵列(3)由两个位于同一平面内的方柱形永磁体天线单元组成平行结构。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：固定在转盘上的天线阵列(3)，其阵元之间的间距可通过固定件任意调节，以改变机械天线系统的辐射强度。

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