CN112909523B - 一种超小型极低频天线及其发射电磁波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种超小型极低频天线及其发射电磁波的方法，所述天线包括：磁电异质结构件、低音驱动结构件、振膜和外壳，所述磁电异质结构件和所述外壳形成空腔结构，所述低音驱动结构件和所述振膜设置在所述空腔结构内，所述磁电异质结构件附着于所述振膜；所述低音驱动结构件包括磁体和导电线圈，所述导电线圈连接所述振膜，所述磁体、所述导电线圈和所述振膜在所述空腔结构中产生声音信号，使得所述磁电异质结构件受迫振动，辐射电磁波。本发明实施例中提供的超小型极低频天线能够突破半波长谐振原理的限制，提供一种体积小、辐射效率高的极低频天线。

Description

一种超小型极低频天线及其发射电磁波的方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种超小型极低频天线。

背景技术

极低频(Extremely Low Frequency，ELF)是指频率由3Hz至30Hz，波长10,000公里至100,000公里的无线电波，多数用于给美国海军及俄罗斯海军用作潜艇通信。

除了极低频和超低频以外，其他的无线电波尽管可以在水中容易地传送，但是不容易在海中传输，而且以目前的天线技术难以实现高辐射效率的信号传输。另外，实现有效传输极低频信号需要选择大型的天线才能够实现，这就限制了极低频信号的广泛使用。

目前，现有用于低频信号收发的天线尺寸体积庞大、功耗巨大，辐射效率低。同时，天线尺寸小型化的局限性使得实现小型天线和天线阵列非常具有挑战性。新的天线概念需要研究新的机制，以减少天线尺寸。

因此，突破半波长谐振原理的限制，提供一种体积小、辐射效率高的极低频天线是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种超小型极低频天线，能够突破半波长谐振原理的限制，提供一种体积小、辐射效率高的极低频天线。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超小型极低频天线，所述天线包括：磁电异质结构件、低音驱动结构件、振膜和外壳，所述磁电异质结构件和所述外壳形成空腔结构，所述低音驱动结构件和所述振膜设置在所述空腔结构内，所述磁电异质结构件附着于所述振膜；所述低音驱动结构件包括磁体和导电线圈，所述导电线圈连接所述振膜，所述磁体、所述导电线圈和所述振膜在所述空腔结构中产生声音信号，使得所述磁电异质结构件受迫振动，辐射电磁波。

可选的，所述磁体为永磁体。

可选的，所述磁电异质结构件包括：磁致伸缩薄膜。

可选的，所述磁致伸缩薄膜的材料为FeGa合金或Metglas合金。

可选的，所述磁电异质结构件还包括：压电薄膜；所述压电薄膜设置于所述磁致伸缩薄膜靠近所述振膜的一侧。

可选的，所述压电薄膜的材料为LiNbO₃或PZT或AIN或ZnO。

可选的，所述天线还包括：电极和锁相放大器；所述电极分别与所述压电薄膜和所述锁相放大器相连；所述电极，用于将所述压电薄膜产生的电压信号导出；所述锁相放大器，用于测量所述电极导出的电压信号的电压。

可选的，所述振膜的材料为PP或纸盒。

本发明还提供一种如上面一些实施例中所述的天线的发射电磁波的方法，其特征在于，向导电线圈中输入特定频率的交变电流，以使所述导电线圈在磁体的磁场作用下发生移动；所述导电线圈带动振膜发生振动，产生声音信号，以在空腔中产生空腔振荡；所述磁电异质结构件在空腔振荡的作用下受迫振动，辐射电磁波。

本发明实施例一种超小型极低频天线及其发射电磁波的方法与现有技术相比，其有益效果在于：突破半波长谐振原理的限制，提供一种体积小、辐射效率高的极低频天线。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超小型极低频天线的结构图；

图2a是本发明实施例提供的一种低音驱动结构件原理图；

图2b是本发明实施例提供的另一种低音驱动结构件原理图；

图3是本发明实施例提供的一种磁电异质结构件的结构图；

图4a是本发明实施例提供的一种磁电异质薄膜进行电磁辐射的原理图；

图4b是本发明实施例提供的另一种磁电异质薄膜进行电磁辐射的原理图；

图5是本发明实施例提供的另一种磁电异质结构件的结构图；

图6是本发明实施例提供的另一种超小型极低频天线的结构图；

图7是本发明实施例提供的超小型极低频天线辐射和接收电磁波的原理图；

图8是本发明实施例提供的一种超小型极低频天线发射电磁波的方法的流程图。

图中，10、磁电异质结构件；11、磁电异质薄膜；12、压电薄膜；20、低音驱动结构件；21、磁体；22、导电线圈；30、振膜；40、外壳；50、电极；60、锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一些实施例”旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。

如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种超小型极低频天线，包括：磁电异质结构件10、低音驱动结构件20、振膜30和外壳40，磁电异质结构件10和外壳40形成空腔结构，低音驱动结构件20和振膜30设置在空腔结构内，磁电异质结构件10附着于振膜30。

其中，低音驱动结构件20包括磁体21和导电线圈22，导电线圈22连接振膜30，磁体21、导电线圈22和振膜30在空腔结构中产生声音信号，使得磁电异质结构件10受迫振动，辐射电磁波。

本发明实施例中，低音驱动结构件20、振膜30和外壳40能够将电信号转换为声信号。其原理是：向导电线圈22输入交变电流，导电线圈22会在磁体21的磁场的作用下发生移动，且导电线圈22的电流是交变电流，感应电磁场方向不断变化，导电线圈21连接在振膜30上带动振膜30振动，振膜30的振动推动空腔结构内的空气，从而发出声音信号。

在一种实现方式中，如图2a和图2b所示，向导电线圈22中输入电流，导电线圈22会产生感应电磁场，且导电线圈22中输入的电流是交变电流，导电线圈22产生的感应电磁场的方向不断变化。如图2a所示，在导电线圈22产生的感应电磁场N＇S＇与磁体21的磁场NS相反时，会相互吸引，导电线圈22在磁体21的磁场NS的力F的作用下，向左运动；当改变导电线圈22中的电流方向时，如图2b所示，导电线圈22产生的感应电磁场N＇S＇与磁体21的磁场NS相同时，导电线圈22在磁体21的磁场NS的力F的作用下，向右运动。

在一些实施例中，磁体21为永磁体，或者其他能够实现磁体21功能的结构，本发明对此不做具体限制。

在一些实施例中，如图3所示，磁电异质结构件10包括磁电异质薄膜11。

其中，磁电异质薄膜11的材料为FeGa合金或Metglas合金，或者能够实现其功能的材料，本发明对此不做具体限制。

磁电异质薄膜11可以采用涂抹，溅射或者打印等工艺实现附着于振膜3，磁电异质薄膜11能够感应磁场变化，从而用于辐射与接收电磁波。

本发明实施例中，磁电异质薄膜11在空腔结构中声音信号的作用下受迫振动，磁电异质薄膜11发生应变，产生机电耦合效应，形成应变电荷，发生电磁辐射。通过调整低音驱动结构件20在空腔结构中产生的声音信号的频率参数可以实现磁电异质薄膜11产生不同频率的辐射信号，辐射电磁波与低音驱动结构件20在空腔结构中产生的声音信号的频率是一致的。

如图4a和图4b所示，空腔结构中发生空腔振荡时，磁电异质薄膜11以静止薄膜弧形结构为基准向空腔结构内部或者外部进行收缩或者扩张并发生振动，产生位移电流形成辐射，从而发射电磁波。

在一些实施例中，如图5所示，磁电异质结构件10还包括：压电薄膜12。压电薄膜12设置于磁致伸缩薄膜11靠近振膜30的一侧。

压电薄膜12的材料为LiNbO₃或PZT或AIN或ZnO，或者其他能够实现其功能的材料，本发明对此不作具体限制。

其中，PZT的介电系数较高，其固有损耗大，材料制备难度高。目前大部分产品都是使用ZnO材料，由于AlN的制备工艺较为复杂，更多的是应用在学术研究中，较少实现工程化。AlN与LiNbO3等材料介电系数相对较低，电场通常高于或非常接近于空气击穿场(－3MV/m)，这样就造成最大辐射的限制。具备较高介电系数的压电材料，如PZT则不存在这种问题，除了能够产生更大的辐射外，在高介电常数材料内更好的近场约束使得近场区域可缩小部分距离。

本发明实施例中，天线在接收电磁波信号时，磁致伸缩薄膜11感应到应变磁场，发生磁致伸缩逆效应，产生振动应力从而引起压电薄膜12发生形变，而压电薄膜12能够将机械力转化为电压信号，以此实现接收电磁波信号。

压电薄膜12在受到某固定方向外力作用，内部将产生电极化现象，同时在两个对立表面上产生符号相反的电荷；当外力作用方向改变，电荷的极性随之改变。这种现象称为正压电效应，压电材料受力所产生的电位移与外力大小有关，其机电性能关系常用表达式为：

表示为压电薄膜12的应力场张量，单位为N/m²。下标E表示恒定电场条件下测量的对应参数。

表示为压电场的应变场张量。

为电场强度矢量。

为电通量密度(电位移)矢量。ε_T为压电薄膜12的无应力介电常数。s_E为压电薄膜12的机械柔度常数，单位为m²/N，表示材料的机械弹性(刚度的系数)的四阶张量。d_E是单位为c/N的压电层应变常数，即压电系数，是三阶张量。

在一些实施例中，如图6所示，天线还包括：电极50和锁相放大器60，电极50分别与压电薄膜12和锁相放大器60相连。

电极50用于将压电薄膜12产生的电压信号导出，锁相放大器60用于测量电极50导出的电压信号的电压。

本发明实施例中，压电薄膜12产生的电压信号通过电极50和锁相放大器60进行导出和测量，从而实现天线接收电磁波信号。

本发明实施例中，超小型极低频天线辐射效率，以非相对论速度运动的加速/减速电荷所辐射的总功率：

其中，q为电荷总量，a为电荷加速度，c为光速，ε₀为自由空间中介电常数。距离电荷R处的辐射磁场强度为：

其中，θ为加速度矢量

观测距离向量为

本发明实施例中天线可以通过时变正弦压力促使磁致伸缩薄膜11进行时变正弦的位移，从而产生有效的电流，所以磁场辐射的最大化，可以通过增大磁致伸缩薄膜11所受的应力、增大总电荷量来实现。

该磁致伸缩薄膜11组成天线的辐射效率(辐射功率/输入功率)应当正比于压电薄膜12的特性与尺寸大小，可以表示为：

ξ∝d²C^EVQω³ (5)

其中，Q为材料在声音模式下的品质因子，V为天线体积。

在一些实施例中，振膜30的材料为PP或纸盒，或者其他能够实现其功能的材料，本发明对此不作具体限制。

本发明实施例中，如图7所示，超小型极低频天线接收和辐射电磁波的原理为：

在辐射电磁波时，低音驱动结构件20将电信号转换成机械振动，在振膜30和外壳4中产生声音信号，磁电异质薄膜11在空腔结构中声音信号的作用下受迫振动，磁电异质薄膜11发生应变，产生机电耦合效应，形成应变电荷，产生应变电场，从而辐射电磁波。

在接收电磁波时，天线的磁电异质薄膜11感应到应变磁场，发生磁致伸缩逆效应，产生振动应力从而引起压电薄膜12形变，从而通过机械力激励得到电压信号，再通过电极导出电压信号，锁相放大器对电压信号进行测量，从而接收电磁波。

如图8所示，本发明实施例还提供一种如上述一些实施例中的天线的发射电磁波的方法。

S10：向导电线圈22中输入特定频率的交变电流，以使导电线圈22在磁体21的磁场作用下发生移动。

S20：导电线圈22带动振膜发生振动，产生声音信号，以在空腔中产生空腔振荡。

S30：磁电异质结构件10在空腔振荡的作用下受迫振动，辐射电磁波。

综上，本发明实施例提供一种超小型极低频天线及其发射电磁波的方法，其能够突破半波长谐振原理的限制，提供一种体积小、辐射效率高的极低频天线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通计数人员来说，在不脱离本发明计数原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超小型极低频天线，其特征在于，所述天线包括：磁电异质结构件、低音驱动结构件、振膜和外壳，所述磁电异质结构件和所述外壳形成空腔结构，所述低音驱动结构件和所述振膜设置在所述空腔结构内，所述磁电异质结构件附着于所述振膜；

所述低音驱动结构件包括磁体和导电线圈，所述导电线圈连接所述振膜，所述磁体、所述导电线圈和所述振膜在所述空腔结构中产生声音信号，使得所述磁电异质结构件受迫振动，辐射电磁波。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述磁体为永磁体。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述磁电异质结构件包括：磁致伸缩薄膜。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜的材料为FeGa合金或Metglas合金。

5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述磁电异质结构件还包括：压电薄膜；

所述压电薄膜设置于所述磁致伸缩薄膜靠近所述振膜的一侧。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述压电薄膜的材料为LiNbO₃或PZT或AIN或ZnO。

7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述天线还包括：电极和锁相放大器；所述电极分别与所述压电薄膜和所述锁相放大器相连；

所述电极，用于将所述压电薄膜产生的电压信号导出；

所述锁相放大器，用于测量所述电极导出的电压信号的电压。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述振膜的材料为PP或纸盒。

9.一种如上述权利要求1至8中任一项所述的天线的发射电磁波的方法，其特征在于，

向导电线圈中输入特定频率的交变电流，以使所述导电线圈在磁体的磁场作用下发生移动；

所述导电线圈带动振膜发生振动，产生声音信号，以在空腔中产生空腔振荡；

磁电异质结构件在空腔振荡的作用下受迫振动，辐射电磁波。

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