CN111864353A - 一种超小型声波谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超小型声波谐振天线，包括：压电晶体结构件、固定装置和信号馈电端口；所述固定装置安装于所述压电晶体结构件上，用于固定所述压电晶体结构件；所述信号馈电端口安装于所述压电晶体结构件上，用于将信号耦合到所述压电晶体结构件上；所述压电晶体结构件，用于辐射或接收所述信号。本申请中的超小型声波谐振天线的尺寸远小于传统天线尺寸，天线辐射效率也大幅度提高，从而解决了现有的超小型声波谐振天线尺寸难以缩减，导致甚低频和特低频通信系统体积庞大、功耗巨大、辐射效率低的技术问题。

Description

一种超小型声波谐振天线
技术领域
本申请属于甚低频通信技术领域，尤其涉及一种超小型声波谐振天线。
背景技术
在现代化战争中，对潜通信在国防军事领域具有重大意义。甚低频电磁波具有优异的穿透与传播性能，能够穿透海水，且还能利用大气电离层的折射进行洲际传输。因此，甚低频电磁波已被广泛应用水下潜艇通信和水下导航、透地通信等。
由于半波长谐振原理的限制，现有天线尺寸体积庞大、功耗巨大，辐射效率低。因此，提供一种小体积、高辐射效率的天线是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种超小型声波谐振天线，解决了现有天线尺寸体积庞大、功耗巨大，辐射效率低的技术问题。
本申请提供了一种超小型声波谐振天线，包括：压电晶体结构件、固定装置和信号馈电端口；
所述固定装置安装于所述压电晶体结构件上，用于固定所述压电晶体结构件；
所述信号馈电端口安装于所述压电晶体结构件上，用于将信号耦合到所述压电晶体结构件上；
所述压电晶体结构件，用于辐射或接收所述信号。
可选地，
所述压电晶体结构件的形状为：圆盘状。
可选地，
所述压电晶体结构件的谐振频率表达式为：
Figure BDA0002605457650000011
式中，f为谐振频率，vpzt为压电晶体结构件中的声速，R为压电晶体结构件的直径。
可选地，
所述压电晶体结构件的形状为：条状。
可选地，
所述压电晶体结构件的谐振频率表达式为：
Figure BDA0002605457650000021
式中，f为谐振频率，vpzt为压电晶体结构件中的声速，λ为压电晶体结构件的长度。
可选地，
还包括：继电开关和外接电容；
所述外接电容一端连接所述压电晶体结构件，另一端连接所述继电开关；
所述继电开关，用于导通或者断开所述外接电容，使得压电晶体结构件自身的自然谐振频率发生偏移，实现载频调制。
可选地，
所述压电晶体结构件的材料为：LiNbO3。
可选地，
所述压电晶体结构件包括：辐射结构、压电结构和磁致伸缩结构；
所述辐射结构的材料为铁性磁铁材料，所述压电结构的材料为PZT压电陶瓷，所述磁致伸缩结构的材料为FeGa合金或Metglas合金。
可选地，
所述固定装置安装于所述压电晶体结构件的端面的中心处。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种超小型声波谐振天线，包括：压电晶体结构件、固定装置和信号馈电端口；所述固定装置安装于所述压电晶体结构件上，用于固定所述压电晶体结构件；所述信号馈电端口安装于所述压电晶体结构件上，用于将信号耦合到所述压电晶体结构件上；所述压电晶体结构件，用于辐射或接收所述信号。本申请中，通过信号馈电端口将信号耦合至压电晶体结构件，然后压电晶体结构件在信号的驱动下发生声共振，压电晶体结构件在径向进行振荡，产生位移电流形成辐射，实现信号的辐射(发射或接收)。位移电流的振荡频率与晶体的径向声波振动频率保持一致，所以辐射电磁波与声波在晶体内的声波谐振频率一致。由于声波波长远远小于同等频率下的电磁波长，此时的甚低频天线的尺寸远小于传统天线尺寸，天线辐射效率也大幅度提高，从而解决了现有的甚低频天线体积庞大、功耗巨大，辐射效率低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种超小型声波谐振天线的电路连接示意图；
图2为本申请实施例提供的压电晶体结构件的原理示意图；
其中，附图标记如下：
1、压电晶体结构件；2、固定装置；3、信号馈电端口；4、继电开关；5、外接电容。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种超小型声波谐振天线，解决了现有的超小型声波谐振天线尺寸难以缩减，导致甚低频和特低频通信系统体积庞大、功耗巨大，、辐射效率低的技术问题。
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本申请提供了一种超小型声波谐振天线的实施例一，具体请参阅图1和图2。
本实施例中的超小型声波谐振天线包括：压电晶体结构件1、固定装置2和信号馈电端口3；固定装置2安装于压电晶体结构件1上，用于固定压电晶体结构件1；信号馈电端口3安装于压电晶体结构件1上，用于将信号耦合到压电晶体结构件1上；压电晶体结构件1，用于辐射或接收信号。
可以理解的是，固定装置2应选取细长的连接杆，在连接处通过在晶体圆盘的正中心打孔固定。
常见的压电材料可大致分为压电晶体(如石英晶体、AlN、ZnO)和压电陶瓷(如钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT)。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来做标准频率控制的振子、高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等。因此，本实施例中选用压电晶体结构件1。
当信号馈电端口3将信号耦合至压电晶体结构件1上后，压电晶体结构件1在信号的驱动下发生声共振，如图2所示，压电晶体结构件在径向进行振荡，晶体振荡的一个周期内，会出现压缩和伸展两种状态，在压缩和伸展两种状态下，压电晶体因应变产生的电流朝向刚好相反，产生了周期性的位移电流形成辐射，实现信号的辐射(发射或接收)。
本实施例中，通过信号馈电端口3将信号耦合至压电晶体结构件1，然后压电晶体结构件1在信号的驱动下发生声共振，压电晶体结构件1在径向进行振荡，产生位移电流形成辐射，实现信号的辐射(发射或接收)。位移电流的振荡频率与晶体的径向声波振动频率保持一致，所以辐射电磁波与声波在晶体内的声波谐振频率一致。由于声波波长远远小于同等频率下的电磁波长，此时的甚低频天线的尺寸远小于传统天线尺寸，天线辐射效率也大幅度提高，从而解决了现有的甚低频天线体积庞大、功耗巨大，辐射效率低的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种超小型声波谐振天线的第一实施例，以下为本申请实施例提供的一种超小型声波谐振天线的第二实施例，具体请参阅图1至图2。
本实施例中的超小型声波谐振天线包括：压电晶体结构件1、固定装置2和信号馈电端口3；压电晶体结构件1通过固定装置2进行固定；信号馈电端口3安装于压电晶体结构件1上，用于将信号耦合到压电晶体结构件1上；压电晶体结构件1，用于辐射或接收信号。
具体地，本实施例中设置压电晶体结构件1的形状为：圆盘状。可以理解的是，圆盘状的压电晶体结构件1方便固定，并且抗震性更好。
需要说明的是，当压电晶体结构件1的形状为圆盘状时，压电晶体结构件1的谐振频率表达式可以是：
Figure BDA0002605457650000051
式中，f为谐振频率，vpzt为压电晶体结构件1中的声速，R为压电晶体结构件1的直径。
通过上述的表达式可知，直径越大，天线的谐振频率(也即辐射频率)越低。如果使天线工作在声波的长度方向振动模式，则天线的辐射频率与晶体圆柱的长度相关。
具体地，本实施例中的压电晶体结构件1的形状为：条状。可以理解的是，条状为长条状，长条状的长大于高，类似积木的长方体或梯形体结构。
可以理解的是，当压电晶体结构件1的形状为条状时，压电晶体结构件1的谐振频率表达式可以是：
Figure BDA0002605457650000061
式中，f为谐振频率，λ为压电晶体结构件1的长度，vpzt为压电晶体结构件1中的声速，大约为3000～4000m/s。
具体地，本实施例中的超小型声波谐振天线还包括：继电开关4和外接电容5；外接电容5一端连接压电晶体结构件1，另一端连接继电开关4；继电开关4，用于导通或者断开外接电容5，使得压电晶体结构件1自身的自然谐振频率发生偏移，实现载频调制，直接通过天线实现FSK调制。
可以理解的是，当单纯使用压电体作为辐射体，压电晶体结构件1的材料首选：LiNbO3。
采用提拉法能够实现大尺寸的LiNbO3晶体生长，长度延展模式的Y∠36°能够生长形成大尺寸的LiNbO3晶体结构。在声共振模式下，约15cm(约6英寸)的LiNbO3晶体能够在大约20～26kHz发生谐振，进一步降低天线频率需要增加铌酸锂晶体尺寸，所以可以认为采用压电晶体共振的机械天线的低频极限为10kHz的量级。
还可以理解的是，当压电晶体中包括辐射结构、压电结构和磁致伸缩结构时，辐射结构的材料为铁性磁铁材料，压电结构的材料为PZT压电陶瓷，磁致伸缩结构的材料为FeGa合金或Metglas合金。采用多铁性材料可以同时激励电磁波的电场和磁场分量，提升天线的辐射功率容量；
具体地，为了降低机械阻尼，压电晶体结构件1在端面中心点通过打孔安装在固定装置2上。
本实施例中，通过信号馈电端口3将信号耦合至压电晶体结构件1，然后压电晶体结构件1在信号的驱动下发生声共振，压电晶体结构件1在径向进行振荡，产生位移电流形成辐射，实现信号的辐射(发射或接收)。位移电流的振荡频率与晶体的径向声波振动频率保持一致，所以辐射电磁波与声波在晶体内的声波谐振频率一致。由于声波波长远远小于同等频率下的电磁波长，此时的超小型声波谐振天线的尺寸远小于传统天线尺寸，天线辐射效率也大幅度提高，从而解决了现有的超小型声波谐振天线尺寸难以缩减，导致甚低频和特低频通信系统体积庞大、功耗巨大、辐射效率低的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种超小型声波谐振天线，其特征在于，包括：压电晶体结构件、固定装置和信号馈电端口；
所述固定装置安装于所述压电晶体结构件上，用于固定所述压电晶体结构件；
所述信号馈电端口安装于所述压电晶体结构件上，用于将信号耦合到所述压电晶体结构件上；
所述压电晶体结构件，用于辐射或接收所述信号。
2.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件的形状为：圆盘状。
3.根据权利要求2所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件的谐振频率表达式为：
Figure FDA0002605457640000011
式中，f为谐振频率，vpzt为压电晶体结构件中的声速，R为压电晶体结构件的直径。
4.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件的形状为：条状。
5.根据权利要求4所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件的谐振频率表达式为：
Figure FDA0002605457640000012
式中，f为谐振频率，vpzt为压电晶体结构件中的声速，λ为压电晶体结构件的长度。
6.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，还包括：继电开关和外接电容；
所述外接电容一端连接所述压电晶体结构件，另一端连接所述继电开关；
所述继电开关，用于导通或者断开所述外接电容，使得压电晶体结构件自身的自然谐振频率发生偏移，实现载频调制。
7.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件的材料为：LiNbO3。
8.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述压电晶体结构件包括：辐射结构、压电结构和磁致伸缩结构；
所述辐射结构的材料为铁性磁铁材料，所述压电结构的材料为PZT压电陶瓷，所述磁致伸缩结构的材料为FeGa合金或Metglas合金。
9.根据权利要求1所述的超小型声波谐振天线，其特征在于，所述固定装置安装于所述压电晶体结构件的端面的中心处。
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