CN112615151A - 一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压电‑压磁复合材料的低频机械天线及其制作方法，第一压磁层和第二压磁层与压电层通过化学粘接的方式紧密结合在一起，所述压电层上覆盖有至少两个叉指电极，当所述叉指电极被施加信号电压时，所述压电层产生逆压电效应，将电压信号转换为所述压电层的形变参量。两压磁层与压电层紧密结合在一起，受到中间压电层的机械形变作用，两压磁层也同时产生机械形变响应，在压磁效应特性的作用下，这种机械形变响应在两个压磁层中转变成了磁偶极子的振荡，形成磁场变化，对外辐射低频电磁场，将磁场变化信号传导到信号接收端，从而实现了高发射功率与效率的低频通信，实现了低频通讯器材的小型化。

Description

一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线及其制作方法

技术领域

本发明属于磁电天线技术领域，具体涉及一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线及其制作方法。

背景技术

发展“透明海洋”构想，建立海洋立体观测系统，要求远距离、透地、水下通信与探测能力，必须以穿透能力强、传播距离远的低频电磁波 (3Hz～30kHz)作为信号载体。因此，发展甚低频电磁波探测与通信技术，是我国发展海洋强国战略的迫切需求。现有低频天线采用电激励方式，激励电流在天线内振荡形成电磁波辐射。由于低频电磁波波长达到1000-10000km，其天线需由多个数百米高的天线塔和上千米的天线电缆占地数平方公里构成天线阵，造成电激励天线低频电磁波通信系统的天线体积庞大、设备复杂，严重制约其机动性和灵活性，无法用于舰艇和机载设备。如何实现高效小型化的低频电磁波发射，成为低频通信技术发展面临的一大难题。

为实现低频电磁波超远距水(地)下通信的小型化，机械天线成了一个研究热点，通过机械装置驱动空间中电/磁偶极矩的伸缩或旋转，引起电场或磁场的时域变化，产生低频电磁波。与电激励天线不同，机械天线将机械能转换为电磁能，其信息加载通过机械运动状态变化实现。由于机械声波的波长远小于同频电磁波，以机械波激励电磁波的过程不受限于电流振荡空间尺寸、不需要阻抗匹配电路，有望实现高效小型化的低频发射。

目前，根据不同的实现方案，机械天线大致可归为三类：驻极体式、永磁体式、压电谐振式。其中，前两者都是利用机械驱动电磁偶极子运动来产生电磁信号，其稳定强场源的产生与维持及位移驱动技术的局限性一直制约着偶极运动式机械天线的实用化进程。然而，压电谐振式机械天线利用压电材料与压磁材料复合而成的磁电复合材料，在电场作用下压电相形变形成机械波，传递于压磁相产生磁场变化，从而发射电磁波，利用磁电复合材料场强变化代替偶极子运动，可以有效回避强场源及其驱动难题。但是目前的压电谐振式机械天线普遍存在发射功率与效率过低的问题，是目前此类机械天线实用化的最大障碍，例如现有的某一压电谐振式机械天线在500mW功率驱动下1000m距离处产生的磁场信号仅达到0.1fT，远达不到信号穿透能力对发射功率的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种高发射功率与效率的基于压电- 压磁复合材料的低频机械天线及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，所述低频机械天线包括压磁-压电-压磁三叠层结构；所述三叠层结构包括压电层和分别位于所述压电层的顶面和底面的第一压磁层和第二压磁层，所述第一压磁层和第二压磁层与所述压电层的顶面和底面通过化学粘接的方式紧密结合在一起；其中，所述压电层上覆盖有至少两个叉指电极，当所述叉指电极被施加信号电压时，所述压电层产生逆压电效应，将电压信号转换为所述压电层的形变参量。所述三叠层结构中的第一压磁层和第二压磁层与压电层的顶面和底面通过化学粘接的方式紧密结合在一起，受到中间压电层的机械形变作用，第一压磁层和第二压磁层也同时产生机械形变响应，在压磁效应特性的作用下，这种机械形变响应在两个压磁层中转变成了磁偶极子的振荡，形成磁场变化，对外辐射低频电磁场，将磁场变化信号传导到信号接收端，从而实现了高发射功率与效率的低频通信。优选的，所述三叠层结构中的压电层顶面和底面覆盖有叉指电极，当两面电极同时被施加信号电压时，压电层产生逆压电效应，将电压信号转换为压电层的形变参量，实现了电信号到机械应变信号的转变。

进一步地，所述压电层包含具有逆压电效应的压电陶瓷或者复合物材料，所述压电层的顶面和/或底面覆盖上所述叉指电极后用具有柔性的树脂粘接剂固化封装。用柔性适中的树脂粘接剂封装压电层材料和叉指电极，方便制造生产不同尺寸的天线。优选的，封装尺寸计入压电层尺寸内，封装后的所述压电层的压电长度Lpe(X轴)为10-100mm，压电宽度Wpe(Y 轴)为3-50mm，压电厚度Tpe(Z轴)为0.1-1mm。

进一步地，所述第一压磁层和/或第二压磁层与中间压电层通过所述树脂粘结剂粘接贴合。所述第一压磁层和第二压磁层与中间压电层的贴合采用的是化学粘接的形式，在中间压电层通过所述树脂粘接剂封装半固化时，将第一压磁层和第二压磁层贴合到压电层的上下两面，待粘接剂完全固化即可完成三层结构的组装，所述第一压磁层和第二压磁层与中间压电层材料和叉指电极一体成型，使压磁层和中间的压电层能够更紧密的结合在一起，提高天线的发射功率，简化了制造工艺步骤，提高了生产效率，能够方便制造生产不同尺寸的天线。优选的，所述第一或第二压磁层的压磁长度Lpm(X轴)为1×Lpe～5×Lpe，压磁宽度Wpm(Y轴)等于所述压电宽度Wpe，压磁厚度Tpm(Z轴)为0.1-0.5mm，两层厚度可以不同。所述第一压磁层或第二压磁层材料可以是Terfenol-D或者其他磁致伸缩合金等任意具有压磁效应聚合物、合金、陶瓷或者复合材料。

进一步地，所述叉指电极的叉指宽度Wide(X轴)为0.1-0.2mm，电极间距Side(X轴)为0.1-2mm；叉指电极材料可以是任意导电金属或者其他导电无机材料。

进一步地，所述压电层包含压电纤维；优选的，压电纤维为压电陶瓷纤维，所述压电陶瓷纤维可加工性极高，尺寸可调，固有振动频率低至300 Hz以下；所述压电陶瓷纤维轴向长度的方向与压电层长度(X轴)方向一致，纤维在压电层中的使用数量可根据实际需求任意调整。使用压电陶瓷纤维复合材料，将压电陶瓷纤维与弹性树脂粘接剂复合，兼顾了压电性与柔性、高单向应变性等优点；压电陶瓷纤维具有较低的模量，其长度、截面形状及组分可控可调；大尺寸压电陶瓷纤维复合材料作为压电相，可以提高磁电复合材料的尺寸，降低界面应力损耗，固有谐振频率可低至300Hz 以下。

进一步地，所述第一压磁层和第二压磁层为长条形薄片结构，第一和第二压磁层的厚度可以通过调节单片厚度或者多片叠加的方式调控；多片叠加时，可以通过激光焊接、热压或者粘接的方式贴合。

另外，本发明还提供了一种上述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线的制作方法，其中，在所述压电层的顶面或底面覆盖上所述叉指电极后用具有柔性的树脂粘接剂固化封装。

进一步的，在中间压电层用所述树脂粘接剂封装半固化时，将所述第一压磁层和第二压磁层正对着中间压电层贴合到压电层的上下两面，待粘接剂完全固化即可完成三层结构的组装。

进一步的，将所述第一压磁层和第二压磁层贴合到所述压电层时，保持两压磁层长宽与压电层同向，保持两压磁层与压电层几何中心在Z轴方向重合。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：

(1)本发明的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线包括三叠层结构，所述三叠层结构中的第一压磁层和第二压磁层与压电层的顶面和底面通过化学粘接的方式紧密结合在一起，受到中间压电层的机械形变作用，第一压磁层和第二压磁层也同时产生机械形变响应，在压磁效应特性的作用下，这种机械形变响应在两个压磁层中转变成了磁偶极子的振荡，形成磁场变化，对外辐射低频电磁场，将磁场变化信号传导到信号接收端，从而实现了高发射功率与效率的低频通信，实现了低频通讯器材的小型化。

(2)所述第一压磁层和第二压磁层与中间压电层材料和叉指电极通过树脂粘合剂一体成型，使压磁层和中间的压电层能够更紧密的结合在一起，提高天线的发射功率，简化了制造工艺步骤，提高了生产效率，能够方便制造生产不同尺寸的天线。

(3)使用压电陶瓷纤维复合材料，将压电陶瓷纤维与弹性树脂粘接剂复合，兼顾了压电性与柔性、高单向应变性等优点；压电陶瓷纤维具有较低的模量，其长度、截面形状及组分可控可调；大尺寸压电陶瓷纤维复合材料作为压电相，可以提高磁电复合材料的尺寸，降低界面应力损耗，固有谐振频率可低至300Hz以下。

附图说明

图1是本发明实施例的机械天线的结构解析图；

图2是本发明实施例的机械天线的结构示意图；

图3是本发明实施例的叉指电极的示意图；

图4是本发明实施例一的机械天线磁感强度测试曲线；

图5是本发明实施例一的机械天线的谐振频率测试曲线；

图6是本发明实施例二的机械天线的谐振频率测试曲线。

具体实施例

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详细地描述。显然，本实施方式中所描述的实施例仅仅只是本发明所包含内容的一个普通案例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出不同于本发明权利要求项之外的其它创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，为本发明实施例的一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，所述低频机械天线为压磁-压电-压磁三叠层结构，所述三叠层结构包括压电层5和分别位于所述压电层5的顶面和底面的长条形薄片结构的第一压磁层1和第二压磁层2，所述压电层5的顶面和底面分别覆盖有叉指电极3。所述压电层5的顶面和底面覆盖上所述叉指电极3后用具有柔性的树脂粘接剂固化封装，在中间压电层5通过所述树脂粘接剂封装半固化时，将第一压磁层1和第二压磁层2贴合到压电层5的上下两面，待树脂粘接剂完全固化即可完成三层结构的组装。所述具有柔性的树脂粘接剂可选用环氧类、丙烯酸类、聚酯类、酚醛类和氨基类等五大类树脂，压电层5 的压电材料为压电陶瓷纤维4，第一压磁层1和第二压磁层2的材料均为 Terfenol-D，叉指电极3的材料为金。如图3所示，叉指电极3包括多个正极6和负极7，每根叉指的宽度为Wide，相邻叉指之间的几何间距为Side。

上述的低频机械天线中，当两面的叉指电极3同时被施加信号电压时，压电层5产生逆压电效应，将电压信号转换为压电层5的形变参量，实现了电信号到机械应变信号的转变，第一压磁层1和第二压磁层2与压电层5 的顶面和底面通过所述树脂粘结剂粘接紧密结合在一起，受到中间压电层5 的机械形变作用，第一压磁层1和第二压磁层2也同时产生机械形变响应，在压磁效应特性的作用下，这种机械形变响应在两个压磁层中转变成了磁偶极子的振荡，形成磁场变化，对外辐射低频电磁场，将磁场变化信号传导到信号接收端，从而实现了高发射功率与效率的低频通信。所述第一压磁层1和第二压磁层2与中间压电层材料和叉指电极3一体成型，使压磁层和中间的压电层5能够更紧密的结合在一起，提高天线的发射功率，简化了制造工艺步骤，提高了生产效率，能够方便制造生产不同尺寸的天线。使用压电陶瓷纤维复合材料，将压电陶瓷纤维与弹性树脂粘接剂复合，兼顾了压电性与柔性、高单向应变性等优点；压电陶瓷纤维具有较低的模量，其长度、截面形状及组分可控可调；大尺寸压电陶瓷纤维复合材料作为压电相，可以提高磁电复合材料的尺寸，降低界面应力损耗，固有谐振频率可低至300Hz以下。

上述机械天线的制作方法如下，将压电陶瓷纤维4放置在模具中并在其上下面覆盖叉指电极3，压电纤维轴向长度的方向与压电层5的长度方向一致，在模具中加入所述树脂粘结剂，使其固化封装所述压电陶瓷纤维4 和叉指电极3。在所述树脂粘接剂封装半固化时，将所述第一压磁层1和第二压磁层2正对着中间压电层5贴合到压电层5的上下两面，保持两压磁层长宽与压电层同向，保持两压磁层与压电层几何中心在Z轴方向重合，待粘接剂完全固化即可完成三层结构的组装。具体的机械天线各组分选材及尺寸参数参见表1的实施例一和表2的实施例二。

表1实施例一的机械天线各组分选材及尺寸参数

表2实施例二的机械天线各组分选材及尺寸参数

对实施例1的机械天线进行磁感强度测试：在1000V驱动电压条件下，选定压电层材料为PTZ-5H，选定压磁层材料为Terfenol-D磁致伸缩合金(X 轴向)，当机械天线各组成部分的结构尺寸设定为表1所示数值时，距离磁场源1000m处磁感强度约为30fT。如图4所示为采用结构参数为表1所示数值时，驱动电压1000V，测得1m处位置磁感强度约为3×10^-8T，通过继续增加驱动电压和其他结构参数等可获得更大的磁感强度。如图5所示，本发明涉及的低频机械天线采用结构参数为表1所示数值时，天线的磁感强度曲线(左图)和压磁中心Y向位移(右图)。从左右两图结合分析可知，此天线的谐振频率约为112Hz。

对实施例2的机械天线进行谐振频率测试：在1000V驱动电压条件下，选定压电层材料为PTZ-5H，选定压磁层材料为Terfenol-D磁致伸缩合金(X 轴向)，当机械天线各组成部分的结构尺寸设定为表2所示数值时，上下压磁层的厚度不一致，且上下压磁层的磁化方向相反(均沿着X轴向)，最终得到的谐振频率为200Hz。其测试数据如图6所示，天线的磁感强度曲线 (左图)和压磁中心Y向位移(右图)，左右两图结合分析即可得知，此天线的谐振频率约为200Hz。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他任何具体形式实现本发明。因此，本实施例仅仅只是示范性案例，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照具体实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述低频机械天线包括压磁-压电-压磁三叠层结构；所述三叠层结构包括压电层和分别位于所述压电层的顶面和底面的第一压磁层和第二压磁层，所述第一压磁层和第二压磁层与所述压电层通过化学粘接的方式紧密结合在一起；其中，所述压电层上覆盖有至少两个叉指电极，当所述叉指电极被施加信号电压时，所述压电层产生逆压电效应，将电压信号转换为所述压电层的形变参量。

2.根据权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述压电层包含具有逆压电效应的压电陶瓷或者复合物材料，所述压电层和所述叉指电极通过柔性树脂粘结剂封装。

3.根据权利要求2所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，封装后的所述压电层的压电长度Lpe为10-100mm，压电宽度Wpe为3-50mm，压电厚度Tpe为0.1-1mm。

4.根据权利要求2所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述第一压磁层和/或第二压磁层与压电层通过所述树脂粘结剂粘接贴合。

5.根据权利要求3所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述第一压磁层或第二压磁层的压磁长度Lpm为1×Lpe～5×Lpe，压磁宽度Wpm等于所述压电宽度Wpe，压磁厚度Tpm为0.1-0.5mm。

6.根据权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述第一压磁层或第二压磁层包括具有压磁效应的聚合物、合金、陶瓷或者复合材料；优选的包括磁致伸缩合金；更为优选的包括Terfenol-D。

7.根据权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述叉指电极的叉指宽度为0.1-0.2mm，电极间距为0.1-2mm。

8.根据权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述第一压磁层或第二压磁层为长条形薄片结构，所述第一压磁层或第二压磁层为单片或者多片叠加结构；所述多片叠加结构通过激光焊接、热压或者粘接的方式叠加贴合形成。

9.根据权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线，其特征在于，所述压电层包括压电纤维；优选的，包括压电陶瓷纤维，所述压电陶瓷纤维的固有振动频率为300Hz以下。

10.一种权利要求1所述的基于压电-压磁复合材料的低频机械天线的制作方法，其特征在于，在所述压电层的顶面或底面覆盖上所述叉指电极后用具有柔性的树脂粘接剂固化封装；在中间压电层用所述树脂粘接剂封装半固化时，将所述第一压磁层和第二压磁层正对着中间压电层贴合到压电层的上下两面，待粘接剂完全固化即可完成三层结构的组装。

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