CN113067135B - 一种低频驻极体机械天线与工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低频驻极体机械天线，包括电压激励与信号调制模块、压电换能器模块，变幅杆、驻极体和支撑结构；电压激励与信号调制模块的电信号输出端连接所述压电换能器模块的电信号输入端；相对于采用旋转产生电磁场的机械天线，本发明所述的天线采用压电器件作为动力源，能够产生较高频率的VLF信号，有利于提高通信效率。

Description

一种低频驻极体机械天线与工作方法
技术领域
本发明属于VLF/ULF低频通讯技术领域，具体涉及一种新型结构的低频驻极体机械天线。
背景技术
VLF/ULF在对潜通讯，水下目标探测，电离层性能探测以及潜艇导航定位方面有着巨大的应用前景。然而传统的电激励需要与工作波长相匹配的超大尺寸天线，功耗巨大，造价昂贵，严重制约了VLF/ULF系统的应用。低频电磁波超远距水(地)下通信的小型化是目前的研究热点。机械天线与传统电激励天线的不同之处在于，前者是将信息加载通过机械运动的形态转化成为电磁能来实现信息传递。这种信息传递的方式，不在受传统电激励天线的电流振荡空间尺寸的限制，不再需要阻抗来匹配电路，为实现高效小型化的低频通信提供了可能；
根据不同的实现原理，机械天线方案大致可归为三类：分别为旋转电偶极子、旋转电单极子和旋转磁偶极子。目前针对该项目，大量研究学者已展开相关研究，主要的研究思路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。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明公开了一种新型结构的低频驻极体机械天线，通过天线结构和辐射场源的优化设计，以提高机械天线低频电磁信号辐射性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种低频驻极体机械天线，包括电压激励与信号调制模块、压电换能器模块，变幅杆、驻极体和支撑结构；
所述电压激励与信号调制模块的电信号输出端连接所述压电换能器模块的电信号输入端；所述压电换能器模块能将输入的电信号转化成机械震动信号，所述驻极体通过变幅杆与所述压电换能器连接，从而能使变幅杆将压电换能器产生的震动信号的震幅放大后传递给所述驻极体，带有电荷的驻极体的振动产生变化的电磁场激发电磁波并向外辐射。
进一步的，所述压电换能器模块由将多片圆形的压电薄片层叠，每片压电薄片之间通过环形叉指电极相互隔断，并通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到换能器之外，形成两个通电接口用于电信号输入。
进一步的，低频驻极体机械天线的通讯带宽范围是3kHz-50KHz。
进一步的，所述压电薄片的厚度范围是0.05-5mm。
进一步的，所述变幅杆连接于压电换能器模块的一端面，变幅杆随压电换能器模块的振动而振动，并能将换能器的振动有效放大至0.5-1mm。
进一步的，所述支撑结构固定于变幅杆远离压电换能器模块的一端，所述驻极体3固定于所述支撑结构上。
进一步的，所述驻极体采用高分子聚合物材料，充有单极性极化电荷，并采用多层驻极体结构以储存更多电荷，提高电磁信号的辐射性能。
进一步的，所述驻极体包括n层，n≥2；各层驻极体紧密贴合以提高电荷储存的密度，并采用卡紧装置进行固定。
有益效果：具体有以下几点：
（1）本发明的低频机械天线能够产生并发射低频电磁波，且发射天线结构整体质量轻、体积小、易于携带，适合在高机动、小空间等复杂环境下使用。与现有技术相比，具有以下有益效果：
（2）相对于采用旋转产生电磁场的机械天线，本发明所述的天线采用压电器件作为动力源，能够产生较高频率的VLF信号，有利于提高通信效率。
（3）本发明选用变幅杆增加振动的幅值，有效提高了天线辐射效率。
（4）本发明设计了高密度驻极体堆叠的结构方式，大大提高了的电荷储存密度，从而使天线辐射能力得到极大提高。
附图说明
附图1为本装置的工作原理结构示意图；
附图2为本装置的驻极体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1和2所示的一种低频驻极体机械天线，包括电压激励与信号调制模块1、压电换能器模块2，变幅杆4、驻极体3和支撑结构；
电压激励与信号调制模块1的电信号输出端连接压电换能器模块2的电信号输入端；压电换能器模块2能将输入的电信号转化成机械震动信号，驻极体3通过变幅杆4与压电换能器2连接，从而能使变幅杆4将压电换能器2产生的震动信号的震幅放大后传递给驻极体3，带有电荷的驻极体3的振动产生变化的电磁场激发电磁波并向外辐射。
压电换能器模块2由将多片圆形的压电薄片层叠，每片压电薄片之间通过环形叉指电极相互隔断，并通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到换能器之外，形成两个通电接口用于电信号输入；本实施例的压电薄片的材料可选自本领域具有较高谐振频率的压电材料，无机压电材料和有机压电材料均可用于本发明，无机压电材料例如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)、铌酸钾钠(KNN)、铌酸铅钡锂(PBLN)等，有机压电材料例如聚偏氟乙烯(PVDF)。较高的振动速度可提高天线产生信号强度；本实施例的压电薄片可利用调频、调相或者扩频的方式对通信信号进行调制，有益于提高低频通信的效率。
本实施例的低频驻极体机械天线的通讯带宽范围是3kHz-50KHz；压电薄片的厚度范围是0.05-5mm。
变幅杆4连接于压电换能器模块2的一端面，变幅杆4随压电换能器模块2的振动而振动，并能将换能器的振动有效放大至0.5-1mm。
支撑结构固定于变幅杆远离压电换能器模块2的一端，驻极体3固定于支撑结构上。
驻极体3采用高分子聚合物材料，充有单极性极化电荷，并采用多层驻极体结构以储存更多电荷，提高电磁信号的辐射性能。
驻极体3包括n层，n≥2；各层驻极体紧密贴合以提高电荷储存的密度，并采用卡紧装置进行固定。
以上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 (4)

1.一种低频驻极体机械天线，其特征在于：包括电压激励与信号调制模块(1)、压电换能器模块(2)，变幅杆(4)、驻极体(3)和支撑结构；
所述电压激励与信号调制模块(1)的电信号输出端连接所述压电换能器模块(2)的电信号输入端；所述压电换能器模块(2)能将输入的电信号转化成机械震动信号，所述驻极体(3)通过变幅杆(4)与所述压电换能器模块(2)连接，从而能使变幅杆(4)将压电换能器模块(2)产生的震动信号的震幅放大后传递给所述驻极体(3)，带有电荷的驻极体(3)的振动产生变化的电磁场激发电磁波并向外辐射；
所述压电换能器模块(2)由将多片圆形的压电薄片层叠，每片压电薄片之间通过环形叉指电极相互隔断，并通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到换能器之外，形成两个通电接口用于电信号输入；
低频驻极体机械天线的通讯带宽范围是3kHz-50KHz；
所述变幅杆(4)连接于压电换能器模块(2)的一端面，变幅杆(4)随压电换能器模块(2)的振动而振动，并能将换能器的振动有效放大至0.5-1mm；
所述驻极体(3)采用高分子聚合物材料，充有单极性极化电荷，并采用多层驻极体结构以储存更多电荷，提高电磁信号的辐射性能。
2.根据权利要求1所述的一种低频驻极体机械天线，其特征在于：所述压电薄片的厚度范围是0.05-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种低频驻极体机械天线，其特征在于：所述支撑结构固定于变幅杆远离压电换能器模块(2)的一端，所述驻极体(3)固定于所述支撑结构上。
4.根据权利要求3所述的一种低频驻极体机械天线，其特征在于：所述驻极体(3)包括n层，n≥2；各层驻极体紧密贴合以提高电荷储存的密度，并采用卡紧装置进行固定。
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