CN113422198A - 集成永磁体的磁电机械谐振天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成永磁体的磁电机械谐振天线，使用的磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料三层复合结构使得该天线通过机械谐振实现检测接收与发射电磁波，使得天线的尺寸与结构相比于传统的天线大大减小，同时通过安置永磁体提高了磁电效应，提高了天线的检测与发射能力，使其具有了尺寸小，结构简单，造价低的优点；可替代传统天线或配套传统天线使用，通用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号传输技术，特别涉及一种集成永磁体的磁电机械谐振天线。
背景技术
传统的天线是由电源直接驱动，在天线中形成震荡的电场从而将电磁波辐射到空间中，为了能高效地辐射电磁波，天线的尺寸需要与辐射的电磁波的波长在同一量级。由于低频电磁波的波长长达数千米或数十千米，因此传统的低频天线的尺寸也十分巨大，使得其无法应用于移动电子设备之中。
发明内容
针对现有的天线体积大，结构复杂的问题，提出了一种集成永磁体的磁电机械谐振天线。
本发明的技术方案为：一种集成永磁体的磁电机械谐振天线，包括永磁体、磁致伸缩材料、压电材料和导线，压电材料的两面对称粘连的两个相同的磁致伸缩材料，构成磁电效应复合结构；提供直流偏置磁场的永磁体置于磁致伸缩材料上远离压电材料的一面上或周围；压电材料两侧具有导电电极，压电材料两侧的导电电极上连接有用于信号的检测接收或发射的导线。
优选的，所述磁电效应复合结构的尺寸大小调整其机械谐振频率，检测接收对应频率的电磁波。
优选的，所述永磁体的磁电机械谐振天线作为接收天线时，选用低噪放大器放大永磁体的磁电机械谐振天线接收到的信号。
优选的，所述永磁体的磁电机械谐振天线作为发射天线时，选用功率放大器放大天线的发射信号功率。
本发明的有益效果在于：本发明集成永磁体的磁电机械谐振天线，使用的磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料三层复合结构使得该天线通过机械谐振实现检测与接收电磁波，使得天线的尺寸与结构相比于传统的天线大大减小，同时通过安置永磁体提高了磁电效应，提高了天线的检测接收与发射能力，使其具有了尺寸小，结构简单，造价低的优点；可替代传统天线或配套传统天线使用，通用性强。
附图说明
图1为本发明集成永磁体的磁电机械谐振天线结构示意图；
图2为本发明集成永磁体的磁电机械谐振天线典型应用场景实施例一示意图；
图3为本发明集成永磁体的磁电机械谐振天线典型应用场景实施例二示意图。附图标识：1、磁电机械谐振天线；101、永磁体；102、磁致伸缩材料；103、压电材料；104、导线；2、信号发生器；3、功率放大器；4、传统电学天线；5、前置放大器；6、频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示集成永磁体的磁电机械谐振天线结构示意图，磁电机械谐振天线1包括永磁体101、磁致伸缩材料102、压电材料103和导线104，压电材料103的两面对称粘连的两个相同的磁致伸缩材料102，永磁体101置于磁致伸缩材料102上远离压电材料103的一面上或周围。压电材料103两侧具有导电电极，同时压电材料103两侧的导电电极上连接有导线104用于信号的检测接收或发射。
磁致伸缩材料102：是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料，在磁场的作用下，材料会产生拉伸或收缩的形变，或者在拉伸、压缩力的作用下，使材料内部的磁通密度发生变化，产生磁场。由于磁致伸缩材料可以实现机械能和电磁能的转换，工程上常用于制作各种超声器件，如超声波发生器/接收器、超声探伤器、声纳以及回声探测器等。常用的磁致伸缩材料有稀土材料铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、非晶态FeBSi合金(Metglas)以及Ni-Zn-Co铁氧体合金等。
压电材料103：是指受到压力/拉力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，由于压电材料的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中的正负电荷中心不重合，使得两端面出现异号电荷。工程上常用于制作各种换能器、驱动器以及传感器。常用的压电材料有锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)或氮化铝等具有较高压电系数的材料。
磁电效应：是指磁场控制电场极化或者电场控制磁性变化的物理现象。磁电效应通常出现在磁致伸缩材料与压电材料的复合结构中，使用产生的磁场与施加的电场之比或产生的电场与施加的磁场之比来衡量这一效应的强弱，这一比值被称作磁电系数。磁电系数的大小与直流偏置磁场有关，在某一特定强度的偏置磁场下，磁电系数将达到最大值。使用亥姆霍兹线圈或永磁体提供直流偏置磁场，来提高磁电系数。
永磁体：永磁体是指能够长期保持其磁性的磁体。常用的永磁体有钕铁硼永磁材料、铝镍钴永磁材料以及钐钴永磁材料等磁性能较好的材料。
集成永磁体的磁电机械谐振天线作为天线的应用实施例，具体包括以下内容：
在用作接收天线时，磁致伸缩材料受到空间中电磁波的作用，会周期性的发生伸长与收缩的形变，引起机械谐振，由于磁致伸缩材料与压电材料粘合在一起，这一谐振将引起压电材料的形变，根据压电效应，压电材料的两侧将产生交变的电信号，通过压电材料两侧连接的导线检测这一电信号就可以实现电磁波的检测与接收。在用作发射天线时，压电材料受到电信号的作用会周期性的发生伸长与收缩的形变，引起机械谐振，由于压电材料与磁致伸缩材料粘合在一起，这一谐振将引起两侧磁致伸缩材料的形变，致使其磁通密度发生改变，进而产生交变的磁场，实现电磁波的发射。当电磁波的频率与磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料复合结构的机械谐振频率越接近，机械谐振地幅度就越大，压电材料两端的电压就越高，从而实现对特定频段的电磁波的接收与发射。
本实施例以磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料复合结构尺寸为38mm╳12mm╳5.8mm的基于磁电机械谐振天线为例，结合附图对本发明做具体描述。图1为集成永磁体的磁电机械谐振天线的立体示意图；本实施例的集成永磁体的磁电机械谐振天线中的压电材料103位于整个结构的中央，可以为多层锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)或氮化铝等材料；在压电材料的两侧为磁致伸缩材料102，可以为稀土材料铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、非晶态FeBSi合金(Metglas)以及Ni-Zn-Co铁氧体合金等材料；两种材料使用环氧树脂胶水粘合。本实施例中天线的机械谐振频率为35.6kHz，这一频率可通过改变磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料复合结构的尺寸而改变；在磁致伸缩材料的上侧安放有条形永磁体101用于提供直流偏置磁场，如图1所示，也可在上侧、下侧、两侧或四周安放条形永磁体101，用以提升磁电系数，提高天线的检测性能。
图2和图3为集成永磁体的磁电机械谐振天线的典型应用场景实施例。发射端的信号由信号发生器2产生，经由功率放大器3放大后由发射天线发射；发射天线可选集成永磁体的磁电机械谐振天线1或传统的电学天线4，接收端集成永磁体的磁电机械谐振天线1或传统的电学天线4检测到发射端发出的电磁波后产生对应的电信号，由前置放大器5放大后送给频谱分析仪6显示，实现电磁波的检测与接收。
通过调整永磁体的磁电机械谐振天线1中的磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料复合结构的尺寸来调整其机械谐振频率，从而能最大效率地检测接收对应频率的电磁波。
前置放大器5选用，使用低噪放大器放大永磁体的磁电机械谐振天线1接收到的信号。
使用功率放大器3放大天线的发射信号来提高发射功率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种集成永磁体的磁电机械谐振天线，其特征在于，包括永磁体、磁致伸缩材料、压电材料和导线，压电材料的两面对称粘连的两个相同的磁致伸缩材料，构成磁电效应复合结构；提供直流偏置磁场的永磁体置于磁致伸缩材料上远离压电材料的一面上或周围；压电材料两侧具有导电电极，压电材料两侧的导电电极上连接有用于信号的检测接收或发射的导线。
2.根据权利要求1所述集成永磁体的磁电机械谐振天线，其特征在于，所述磁电效应复合结构的尺寸大小调整其机械谐振频率，检测接收对应频率的电磁波。
3.根据权利要求1或2所述集成永磁体的磁电机械谐振天线，其特征在于，所述永磁体的磁电机械谐振天线作为接收天线时，选用低噪放大器放大永磁体的磁电机械谐振天线接收到的信号。
4.根据权利要求1或2所述集成永磁体的磁电机械谐振天线，其特征在于，所述永磁体的磁电机械谐振天线作为发射天线时，选用功率放大器放大天线的发射信号功率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210921 |