CN113964492A - 基于mems与ltcc工艺的低频机械天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，机械天线包括由上到下依次相接的永磁体、磁致伸缩模块、第一电极、压电模块、第二电极。第一电极、第二电极激励压电模块发生压电效应，产生振动，驱动磁致伸缩模块、永磁体振动，形成电磁场。低频机械天线阵列，采用上述机械天线，多个阵列分布的机械天线通过MEMS工艺集成在LTCC介质板上。本发明提出基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，能够结合需求，按照一定规律排列集成，产生较好的辐射场强，并且还能减小器件的体积，提升了系统的集成度，为实现设备的小型化提供可能。
Description
技术领域
本发明涉及低频通信技术领域，特别涉及一种基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列。
背景技术
甚低频（very low frequency，VLF）及更低频段电磁波的频率小于30kHz，波长大于10km，具有传播距离远和抗电磁脉冲干扰能力强等特点，可通过大气层实现超远距离传播；且相对于高频波段，低频电磁波在海水中衰减小，对于对潜通信具有重要意义；其优异的穿透性能使其在透地通信和地质勘测等领域也发挥着重要作用。
由于低频信号波长较长，为实现有效电磁辐射，传统的陆基低频发射系统规模庞大，尺寸在几十千米量级，且目标明显，战时容易遭受打击。此外，其对场地要求高，所需功耗高，且辐射效率低下。针对陆基低频发射系统的问题，顽存机动式低频发射系统因其相对优势成为研究的热点。然而，即使目前存在着各类顽存机动的低频发射系统，也无法改变低频天线需要较大体积的客观要求，各种方案均存在明显的外置天线，仍存在遭受打击的风险，无法长久使用，且系统维护成本高昂。
针对传统低频通信系统存在的问题，美国DARPA（美国国防高级研究计划局）为了研究一种小型化、轻量化、低功耗的低频发射系统，于2017年开展了“机械天线”项目。此后，机械天线的研究成为低频通信领域的一个重要的方向和趋势。机械天线通过机械能驱动电荷或磁偶极子的运动，进而转化为电磁能，产生辐射场，通过这种方式可使得传统天线难以利用的近场能量在天线辐射中发挥作用，无需庞大的阻抗匹配网络，大幅度减少低频通信系统发射天线的体积和能耗，可实现低频通信设备的小型化。
现代移动通讯、无线局域网、军事雷达等正向小型、轻、高频、多功能及低成本化发展，对元器件提出轻量、小型、高频、高可靠性、价格低廉提高集成度的要求。采取低温共烧陶瓷（Low-temperature cofired ceramics,LTCC）技术制造多层基板，多层片式元件和多层模块时实现上述要求最有效的途径。LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用机械或激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900℃烧结，制成三维电路网络的无源集成组件。使用LTCC技术可以将熔点较低的金属代替难熔金属做布线导体，提高电导率，且便于高密度多层布线。此外，LTCC材料还具有优良的高频、低损耗等其他良好的性能特征。
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置。使用MEMS工艺制成的芯片体积小，特征尺寸为纳米/微米级，并且还具有质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短的特点。MEMS包含数字接口、自检、自调整和总线兼容等功能，具备在网络中应用的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在一起，而且能按照需求，灵活地设计制造更多化的MEMS。MEMS技术还适合批量生产，用硅微加工工艺在同一硅片上同时可制造出成百上千微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。
发明内容
本发明目的是：针对传统天线低频通信技术上的缺陷，利用机械天线的优势，提供基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，一方面形成满足低频通信要求的辐射场强，另一方面降低系统的规模，减少成本，提高系统的集成度，为低频通信设备的小型化提供便利。
本发明的技术方案是：
基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，包括一个LTCC介质板和多个机械天线，多个机械天线阵列分布，通过MEMS工艺集成在LTCC介质板上。
优选的，所述机械天线包括由上到下依次相接的永磁体、磁致伸缩模块、第一电极、压电模块、第二电极。
优选的，所述第一电极、第二电极的端部分别电连接到激励电源两端，激励电源上电时，第一电极、第二电极激励压电模块发生压电效应，产生振动，驱动磁致伸缩模块、永磁体振动，形成电磁场。
优选的，所述永磁体、磁致伸缩模块、压电模块之间依次通过粘结连接；第一电极、第二电极将压电模块夹持在中间。
优选的，所述电磁场的频率为低于30kHz的甚低频。
优选的，所述阵列分布的机械天线根据要求的辐射场强，进行算法优化，根据优化结果设置阵列数量和间距。
本发明的优点是：
本发明提出基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，能够结合需求，按照一定规律排列集成，产生较好的辐射场强，并且还能减小器件的体积，提升了系统的集成度，为实现设备的小型化提供可能。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列的结构示意；
图2是本发明的机械天线的结构示意图。
其中：1、永磁体； 2、磁致伸缩模块；3、第一电极；4、第二电极；5、压电模块；6、激励电源；10、机械天线；11、LTCC介质板。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提出基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，包括一个LTCC介质板11和8*8个机械天线10，8*8个阵列分布的机械天线10通过MEMS（Micro electromechanical system）工艺集成在LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）介质板11上。
如图2所示，所述机械天线10包括由上到下依次相接的永磁体1、磁致伸缩模块2、第一电极3、压电模块5、第二电极4。所述永磁体1、磁致伸缩模块2、压电模块5之间依次通过粘结连接；第一电极3、第二电极4将压电模块5夹持在中间。
所述第一电极3、第二电极4的端部分别电连接到激励电源6两端，激励电源6交流上电时，通过第一电极3、第二电极4激励压电模块5发生压电效应，产生振动，驱动磁致伸缩模块2、永磁体1振动，两者共同作用，形成电磁场。所述电磁场的频率为低于30kHz的甚低频。
所述阵列分布的机械天线10根据要求的辐射场强，进行算法优化，根据优化结果设置阵列数量和间距，使其按照一定规律排列集成，产生满足要求的辐射场强。同时降低系统的规模，减少成本，提高系统的集成度，为低频通信设备的小型化提供便利。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，包括一个LTCC介质板（11）和多个机械天线（10），多个机械天线（10）阵列分布，通过MEMS工艺集成在LTCC介质板（11）上。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，所述机械天线（10）包括由上到下依次相接的永磁体（1）、磁致伸缩模块（2）、第一电极（3）、压电模块（5）、第二电极（4）。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，所述第一电极（3）、第二电极（4）的端部分别电连接到激励电源（6）两端，激励电源（6）上电时，第一电极（3）、第二电极（4）激励压电模块（5）发生压电效应，产生振动，驱动磁致伸缩模块（2）、永磁体（1）振动，形成电磁场。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，所述永磁体（1）、磁致伸缩模块（2）、压电模块（5）之间依次通过粘结连接；第一电极（3）、第二电极（4）将压电模块（5）夹持在中间。
5.根据权利要求3所述的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，所述电磁场的频率为低于30kHz的甚低频。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS与LTCC工艺的低频机械天线阵列，其特征在于，所述阵列分布的机械天线（10）根据要求的辐射场强，进行算法优化，根据优化结果设置阵列数量和间距。
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