CN112993523B - 长波天线及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长波天线及其安装方法，其中，该长波天线包括底座、压电元件及安装机构；底座设有控制系统单元及电源接口；压电元件包括多根晶体棒，晶体棒的两端金属化并分别设置金属丝，晶体棒的两端设有环形线圈，晶体棒底部的金属丝与控制系统单元连接，顶部的金属丝与晶体棒顶部环形线圈连接；底座设有调制板，调制板在晶体棒的两侧各设一块，其中一块调制板与晶体棒通过电容耦合，该调制板通过电容信号接地，另一块调制板连接有分立电容器，分立电容器上串联有调制开关。采用多根晶体棒的阵列式机构来拓宽天线的带宽，在解决了现有长波天线提及庞大、工号巨大及辐射效率低的问题下，还具有较宽的带宽范围，满足于现代通信发展的需求。

Description

长波天线及其安装方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种长波天线及其安装方法。

背景技术

基于甚低频通信系统(3kHz–30kHz)的应用在较高频率下无法使用。然而，辐射效率最高的天线要求的尺寸为波长范围(>1km)，这使便携式发射机的研制极具挑战性。极具吸引力的超低频(VLF)信号在地球电离层波导内衰减小于6dB/1000km，并且可以穿透数十米进入海水或污垢。由于大尺寸和高损耗，传统的发射机技术是不充分的。现有的长波通讯都需要庞大的天线设备，从几公里到上百公里不等，美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线总长高达135公里。庞大的天线设备使得当前的长波通讯网络难于建设及维护，增加了大量的人力财力成本，并且完全失去了灵活性。

目前，申请号为CN202010737032.5的中国专利公开了一种超小型声波谐振天线，其利用压电晶体结构件在信号的驱动下发生声共振来实现辐射，并且由于声波波长小于同等频率下的电磁波场，可使得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。但是该专利中仅通过一个压电晶体结构来实现天线的辐射，而压电晶体结构的谐振频率与其长度、横截面积等因素有关，若需要实现较大的频带带宽，则需要增大该专利文件中压电晶体的体积。显然，该专利文件虽然提出了采用声共振驱动压电晶体来实现天线的小型化，但是带宽地、效率低、幅值低，无法满足现有5G天线的需求。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种结构简单、小型化且辐射性能好的长波天线。

本发明的另一目的旨在提供一种上述长波天线的安装方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

作为第一方面，本申请涉及一种长波天线，包括底座、压电元件及安装机构；

所述底座内设有控制系统单元及电源接口；

所述压电元件通过所述安装机构安装到所述底座上，所述压电元件包括多根沿圆周方向排布的晶体棒，所述晶体棒的两端金属化设置并分别设置金属丝，且所述晶体棒的两端设有与其不接触的环形线圈，所述晶体棒底部的金属丝与所述控制系统单元连接以传输信号，其顶部的金属丝与位于所述晶体棒顶部环形线圈连接；

所述底座内设有与所述电源接口连接的调制板，所述调制板在所述晶体棒的两侧各设一块，其中一块所述调制板与所述晶体棒通过电容耦合，同时该调制板通过电容信号接地，另外一块所述调制板连接有信号接地的分立电容器，且所述分立电容器上串联有调制开关。

进一步设置：与所述晶体棒电容耦合的调制板与环形线圈之间设有电容，且该环形线圈与晶体棒之间亦设有电容。

进一步设置：所述晶体棒的轴线处设有两个熔融石英棒以悬挂压电晶体，两个所述熔融石英棒之间设有用于支撑两者的氧化铝棒。

进一步设置：所述压电晶体包括铌酸锂晶体及钽酸锂晶体。

进一步设置：所述环形线圈通过金属柱机械支撑在所述晶体棒的上下两端。

进一步设置：多根所述晶体棒的长度不尽相同。

进一步设置：所述安装机构包括安装板，所述安装板上开设有多个供所述晶体棒插置的安装孔，所述底座上表面设有多个与安装板的安装板对应的插孔，所述底座上表面还设有用于支撑所述安装板的支撑柱。

进一步设置：所述安装板的轴心处开设有供所述支撑柱穿过的通孔，所述支撑柱的顶部形成供所述安装板搁置的台阶，且所述支撑柱的台阶处螺纹连接有限制所述安装板沿其轴向移动的封盖。

进一步设置：还包括罩设在所述压电元件外的防尘罩。

作为第二方面，本申请涉及一种如上所述的长波天线的安装方法，包括以下步骤：

先将压电元件的晶体棒安装在所述固定装置上；

将固定装置及压电元件一同安装固定到底座上；

将防尘罩安装固定在所述底座上；

所述底座的控制系统单元及电源接口分别接入控制信号和电源，并通过所述控制信号控制所述压电元件的机械波。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

1、在本申请的长波天线中，通过采用压电元件在控制系统单元的输入信号驱动下，压电元件的晶体发生机械谐振，当位移电流的震荡频率与晶体棒的声波振动频率一致时，会使得辐射电磁波与声波在晶体棒体内的声波谐振频率一致，从而可以最大程度提高天线的辐射性能，降低天线的损耗。并且由于声波波长远远小于同等频率下的电磁波长，使得在小型化天线设备中能实现长波信号的辐射，同时采用多根晶体棒的阵列式机构来拓宽本申请天线的带宽，则在解决了现有长波天线提及庞大、工号巨大及辐射效率低的问题下，还具有较宽的带宽范围，满足于现代通信发展的需求。

2、在本申请的长波天线中，环形线圈与晶体棒之间同样设置有电容，使得晶体棒、环线线圈、电容及调制板之间构成压电谐振器，利用该压电谐振器的谐振频率对杂散电容的依赖性得以实现DAM信号传输，继而提高信号的抗干扰能力。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请长波天线中一个实施例的结构示意图；

图2为本申请长波天线中示意压电元件安装结构的示意图；

图3为本申请长波天线中示意安装板的示意图；

图4为本申请长波天线中示意底座的示意图；

图5为本申请长波天线的压电元件的电气结构示意图。

图中，1、底座；11、电源接口；12、插孔；13、支撑柱；14、封盖；2、压电元件；21、晶体棒；22、金属丝；23、环形线圈；3、安装机构；31、安装板；32、安装孔；33、通孔；4、控制系统单元；5、调制板；61、分立电容器；62、调制开关；7、防尘罩。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

请参见图1至图5，本申请涉及一种长波天线，具体涉及一种能够辐射波长范围在1000m～10000m之间的长波天线，其解决了现有长波通讯天线设备庞大的问题，在缩小了长波天线的尺寸的同时，还针对传统超低频无源品质因素Q值高的天线的宽带小、效率低、幅值小的问题，对本申请的天线结构进行了优化设计，以具有良好的天线辐射性能。

请结合图2至图4，本申请的长波天线包括底座1、压电元件2及安装机构3，所述压电元件2通过所述安装机构3安装固定在所述底座1上。其中，所述底座1内设有控制系统单元4及电源接口11，所述压电元件2包括多根沿圆周方向排布的晶体棒21，所述晶体棒21两端金属化设置，所述晶体棒21的金属化端部均设有金属丝22，同时在所述晶体棒21的上下两端均设有环形线圈23，所述晶体棒21底部的金属丝22与所述控制系统单元4连接以进行信号的传输，而所述晶体棒21顶部的金属丝22则与设于所述晶体棒21顶部的环形线圈23连接，并且所述晶体棒21与其临近的环形线圈23之间互不接触，使所述环形线圈23位于所述晶体棒21端部的电场线上或附近。本申请采用高压设计技术，可使所述环形线圈23分布在所述晶体棒21的等势线处，从而限定了本申请天线的偶极矩，降低了所述晶体棒21上峰值表面电场，以增加了高压闪变之前可达到的偶极矩。

进一步的，已知辐射效率与晶体棒21的谐振频率有关，则可通过改变所述晶体棒21的长度及晶体棒21的斜切角度来调节晶体棒21的载波频率，继而实现更宽的调制频率分离。从而本申请可选择长度不尽相同的晶体棒21来达到不同的载波频率。同时，本申请采用多根晶体棒21构成压电阵列，具有强耦合和锁相的能力，能够在更高的谐波频率下激励更高模式的进行。

优选地，本申请可采用十根铌酸锂晶体作为晶体棒21，且所述铌酸锂晶体的长度为9.4cm，直径为1.6，且该晶体棒的斜切角为优选采用57.24°。十根所述铌酸锂晶体以所述支撑柱13为圆心呈圆周均布，从指数拟合到速度下降，测得的Qt约为300000。假设在此Qt值下，计算多物理场仿真偶极矩、表面和近场以及感应应力。则对于14.1mA-m的峰值偶极矩(包括地面图像电流)来说，模拟的平均冯·米塞斯应力为60MPa，此时，所述晶体棒21上的电压为125kV，端板速度为3ms-1，输入阻抗为110Ω，平均功耗为120mW，输入电压为5.3V。

则通过在本申请的压电元件2上施加电场，在电信号频率接近该压电元件2的固定频率时，所述压电元件2会发生机械谐振，则在所述控制单元系统4将输入信号耦合到所述压电元件2上时，即压电元件2可在其声波波长处发生自谐振。则所述控制单元系统4将信号耦合到所述压电元件2处，使得所述压电元件2的晶体棒21在该输入信号驱动下发生机械震荡，从而产生位移电流以形成辐射，以实现信号的辐射。当位移电流的震荡频率与所述晶体棒21的声波振动频率一致时，会使得辐射电磁波与声波在所述晶体棒21体内的声波谐振频率一致，从而可以最大程度提高天线的辐射性能，降低天线的损耗。由于声波波长远远小于同等频率下的电磁波长，相应地，在小型天线设备可大幅提高天线的辐射效率在天线辐射效率也大幅度提高，对比于采用单根压电晶体进行天线辐射的结构来说，本申请采用晶体棒的阵列结构极大地拓宽了天线设备的带宽，经计算可得，本申请的天线设备的带宽超过了常规的Bode-Fano限制的8倍以上，从而有效地提高了天线辐射的比特率。

请结合图4，所述安装机构3包括安装板31，本实施例中的底座1及安装板31均呈圆形设置，所述安装板31上开设有多个供所述晶体棒21插置的安装孔32，同时在所述底座1的上表面设有多个与所述安装孔32对应的插孔12，并且在所述底座1的上表面还设有用于支撑所述安装板31的支撑柱13，所述晶体棒21插接在所述安装孔32及插孔12中实现两点限位固定，继而实现所述晶体棒21的安装固定。

进一步的，所述安装板31的中心处开设有供所述支撑柱13穿过的通孔，且所述支撑柱13的顶部形成有供所述安装板31搁置的台阶(图中未标示，下同)，在所述支撑柱13的台阶处还螺纹连接有封盖14，从而可将所述安装板31限制在所述封盖14内以限制其沿所述支撑柱13的轴向运动。所述底座1的外壳及支撑柱13、安装板31、封盖14均采用绝缘材料，采用封盖14进行安装板31的安装固定，避免采用螺丝拧紧固定，方便拆装，同时可减少引入无源互调。

另外，本申请的长波天线还包括罩设在所述压电元件2外的防尘罩7，可避免压电元件2在各种环境下受到的可能损害，所述防尘罩7与所述底座1之间可通过弹性卡扣连接固定，另外还可通过螺钉来实现两者的连接固定。

在本实施例中，上述金属丝22优选采用0.0762mm的铜线，且所述铜线采用结构环氧树脂和银漆粘接到所述晶体棒21的金属化端部。此外，所述晶体棒21的两端通过设于其轴线处的两个熔融石英棒以用于悬挂压电晶体，以避免金属线与所述晶体棒21的压电晶体直接接触，同时在两个熔融石英棒之间通过氧化铝棒进行支撑。作为进一步优选的是，所述压电晶体包括铌酸锂晶体及钽酸锂晶体，铌酸锂晶体及钽酸锂晶体具有优异的压电、热电、光电等性能，是十分重要的多功能晶体材料，特别是作为压电晶片材料。

此外，所述环形线圈23设于所述晶体棒21的两端以通过金属柱进行支撑，且在本实施例中优选采用氧化铝柱进行支撑。

请结合图5，所述底座1内还设有与所述电源接口11连接的调制板5，所述调制板5沿垂直于所述晶体棒21的轴线方向设置，且所述调制板5分别在所述晶体棒21的两侧各设一块，所述调制板5的两侧分别与所述晶体棒21及接地端电容耦合。具体地，所述调制板5采用金属板，在其中一块调制板5的上侧面与所述晶体棒21之间设有电容，其下侧面设置信号接地的电容，从而可滤除信号中的部分杂波。

此外，在所述调制板5与其临近的环形线圈23之间亦设有电容，且该环形线圈23与所述晶体棒21之间同样设置有电容，使得所述晶体棒21、环形线圈23、电容及调制板5之间构成压电谐振器，该压电谐振器的刚度、质量及电容可决定其谐振频率，利用谐振频率对杂散电容的依赖性得以实现DAM信号传输，继而提高信号的抗干扰能力。

在另一块调制板5上连接有信号接地的分立电容器61，同时该分立电容器61还串联有继电开关62，从而将所述分立电容器61与继电开关62构成小型的继电器，可将调制板5耦合到该继电器，使得该继电器与所述控制系统单元4的输入信号频率的变化一致，则该分立电容器61短路并断开到底。由于本申请采用了长度不尽相同的晶体棒21来实现天线的辐射，则通过加入调制板5、分离电容器61及继电开关62构成的继电器，可实现对不同长度的晶体棒的阻抗匹配，继而提高了天线的辐射效率。

显然，本申请的长波天线解决了现有长波天线尺寸难以缩减，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，采用了晶体棒21的阵列式结构，极大地拓宽了本申请天线的带宽，结构简单，在提高天线比特率的情况下，仍能将损耗降至最低，为便携式电子小天线打开了新的应用领域。

本申请还涉及如前文所述的长波天线的安装方法，包括如下步骤：

首先，将压电元件2的多根晶体棒21安装在固定装置上，即将所述晶体棒21对应插入到所述固定装置的安装板31的安装孔32内。

随后，将安装板31以及插入其安装板31内的晶体板一同安装固定到底座1上。具体地，所述晶体棒21对应插入到底座1上表面的插孔12中，所述底座1上中央的支撑柱13穿过所述安装板31的通孔，再用所述封盖将所述安装板31锁紧固定，继而实现所述安装板31的固定。

接着，将防尘罩7通过卡扣或螺丝固定在所述底座1上，以对压电元件2起到保护的作用。

所述长波天线组装完毕，随后所述底座1的控制系统单元4及电源接口11分别接入控制信号和电源，使得调制板5通电，同时所述控制系统单元4将输入信号耦合到晶体棒21，并通过该输入信号控制所述晶体棒21震荡的机械波，产生位移电流以形成辐射，实现信号的辐射。同时，控制继电开关，使得分立电容器61与所述控制单元系统的输入信号频率的变化一致，使得所述压电元件2自身的自然谐振频率发生偏移，继而实现载波频率调制，提高信号抗干扰能力。同时，控制输入信号使位移电流的震荡频率与所述晶体棒21的声波振动频率一致，可实现在小型天线设备大幅提高天线的辐射效率在天线辐射效率也大幅度提高，从而提高了天线辐射的比特率。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种长波天线，其特征在于，包括底座(1)、压电元件(2)及安装机构(3)；

所述底座(1)内设有控制系统单元(4)及电源接口(11)；

所述压电元件(2)通过所述安装机构(3)安装到所述底座(1)上，所述压电元件(2)包括多根沿圆周方向排布的晶体棒(21)，所述晶体棒(21)的两端金属化设置并分别设置金属丝(22)，且所述晶体棒(21)的两端设有与其不接触的环形线圈(23)，所述晶体棒(21)底部的金属丝(22)与所述控制系统单元连接以传输信号，其顶部的金属丝(22)与位于所述晶体棒(21)顶部环形线圈(23)连接；

所述底座(1)内设有与所述电源接口(11)连接的调制板(5)，所述调制板(5)在所述晶体棒(21)的两侧各设一块，其中一块所述调制板(5)与所述晶体棒(21)通过电容耦合，同时该调制板(5)通过电容信号接地，另外一块所述调制板(5)连接有信号接地的分立电容器(61)，且所述分立电容器(61)上串联有调制开关(62)。

2.根据权利要求1所述的长波天线，其特征在于，与所述晶体棒(21)电容耦合的调制板(5)与环形线圈(23)之间设有电容，且该环形线圈(23)与晶体棒(21)之间亦设有电容。

3.根据权利要求1所述的长波天线，其特征在于，所述环形线圈(23)通过金属柱机械支撑在所述晶体棒(21)的上下两端。

4.根据权利要求1-3任一项所述的长波天线，其特征在于，多根所述晶体棒(21)的长度不尽相同。

5.根据权利要求1所述的长波天线，其特征在于，所述安装机构(3)包括安装板(31)，所述安装板(31)上开设有多个供所述晶体棒(21)插置的安装孔(32)，所述底座(1)上表面设有多个与安装板(31)的安装孔(32)对应的插孔(12)，所述底座(1)上表面还设有用于支撑所述安装板(31)的支撑柱(13)。

6.根据权利要求5所述的长波天线，其特征在于，所述安装板(31)的轴心处开设有供所述支撑柱(13)穿过的通孔，所述支撑柱(13)的顶部形成供所述安装板(31)搁置的台阶，且所述支撑柱(13)的台阶处螺纹连接有限制所述安装板(31)沿其轴向移动的封盖。

7.根据权利要求1所述的长波天线，其特征在于，还包括罩设在所述压电元件(2)外的防尘罩(7)。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的长波天线的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

先将压电元件(2)的晶体棒(21)安装在固定装置上；

将固定装置及压电元件(2)一同安装固定到底座(1)上；

将防尘罩(7)安装固定在所述底座(1)上；

所述底座(1)的控制系统单元(4)及电源接口(11)分别接入控制信号和电源，并通过控制信号来控制所述压电元件(2)的机械波。

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