CN114024131B - 一种压电机械天线及其制备方法和通信设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种压电机械天线及其制备方法和通信设备，该压电机械天线由多层片状压电陶瓷组成，天线两端设置馈电电极，在外加交流电激励的情况下，在谐振频率处产生较强的电磁辐射，用以形成超材料压电机械天线。随着各层压电陶瓷厚度和极化方向的改变，压电机械天线的谐振频率也随之发生改变，实现压电机械天线的可控多频功能。本申请提供的压电机械天线改变了以往单层单一结构压电机械天线的设计方法，将多层结构引入到压电机械天线的设计方法中，克服了结构设计单一，工作频率可调性差的缺点。多层结构压电机械天线各层材料选择、厚度、极化方向均可随设计需求调节，可控参数多，可调方式多样化，对于促进机械天线在长波通信中的应用具有重大的现实意义。

Description

一种压电机械天线及其制备方法和通信设备
技术领域
本申请涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种压电机械天线及其制备方法和通信设备。
背景技术
传统的高频信号，在水下、岩石、土壤中传输时，具有非常大的损耗，因此不适用于水下和地下的通信。通常高频电磁场的损耗随着频率的增加而减小，在相同介质中，低频信号更有利于无线信号的传输。特低频(0.3～3kHz)和甚低频(3～30kHz)信号正是由于这些优点而被广泛地应用于潜艇、潜航器、地雷通信等军事领域。
在无线通信系统中，天线是用于电磁波发射与接收的关键器件。目前用于实现特甚低频通信的长波天线都是基于电流或电压驱动金属谐振结构中的电荷加速来实现电磁波辐射。要在特定频率处高效地辐射电磁波，天线的尺寸需要与其工作波长相当。以辐射30kHz电磁波为例，其工作波长约为10km。为了保证较高的辐射效率，天线的尺寸要大于1km。如此巨大的尺寸，不利于长波天线的实际应用，尤其是无法满足军事领域所需的安全性和隐蔽性。
自天线被发明出来至今，天线尺寸一直朝着小型化的方向发展。人们基于谐振结构的形状几何优化设计、高介电材料的使用、采用集总原件降低无功阻抗、超材料结构等方式来进行电小天线的设计。但是，这些对于天线的优化大多在高频波段。即使在特甚低频的电小天线，受到天线辐射效率与天线尺寸关系的制约，仍然具有很大的尺寸。
机械天线利用外场激励产生的机械运动来实现从甚低频到C波段信号的产生，打破了上述的制约关系。此外，由于声学驱动，机械天线不需要额外的阻抗匹配网络来减小无功阻抗，进一步减小了天线的整体尺寸。目前机械天线的设计具有结构单一、带宽窄和工作频率可调性低的缺点，不利于实际应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种压电机械天线，旨在解决现有机械天线结构单一、带宽窄和工作频率可调性低的缺点。
为实现以上目的，本申请提供一种压电机械天线，包括天线基体和设置在所述天线基体极化方向所指两端面的馈电电极，所述天线基体由多层片状压电陶瓷粘接而成，其中，
所述片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°。
优选地，所述片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角θ不完全为0°或180°。
优选地，所述片状压电陶瓷的极化方向间隔相反设置。
优选地，所述多层片状压电陶瓷为三层，包括中间片状压电陶瓷和两边片状压电陶瓷。
优选地，所述中间片状压电陶瓷和所述两边片状压电陶瓷的宽度相同，所述中间片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角θ，0°≤θ≤60°。
优选地，30°≤θ≤60°。
优选地，所述天线基体的尺寸为10×10×40mm3，所述中间片状压电陶瓷的宽度为1mm，所述两边片状压电陶瓷的宽度为4.5mm。
本申请还提供一种压电机械天线的制备方法，包括：
将压电陶瓷在直流电场下进行极化，并去掉极化电极；
将所述极化后的压电陶瓷切割成片状压电陶瓷，使所述片状压电陶瓷的极化方向与所述压电陶瓷的极化方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°；
使用多层片状压电陶瓷进行粘接，得到天线基体，构成所述天线基体的片状压电陶瓷的极化方向不完全与所述压电陶瓷的极化方向相同；
在所述天线基体的极化方向两端面涂覆馈电电极；
使用交流电源连接所述馈电电极，进行激励发射电磁信号。
优选地，所述多层片状压电陶瓷为三层，包括中间片状压电陶瓷和两边片状压电陶瓷，所述中间片状压电陶瓷的极化方向与所述两边片状压电陶瓷的极化方向相反。
本申请还提供一种通信设备，包括上述的压电机械天线。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供一种基于极化超材料的压电机械天线，由多层片状压电陶瓷组成，天线两端设置馈电电极，在外加交流电激励的情况下，在谐振频率处产生较强的电磁辐射，用以形成超材料压电机械天线。随着各层压电陶瓷厚度和极化方向的改变，压电机械天线的谐振频率也随之发生改变，实现压电机械天线的可控多频功能。本申请提供的压电机械天线改变了以往单层单一结构压电机械天线的设计方法，将多层结构引入到压电机械天线的设计方法中，克服了结构设计单一，工作频率可调性差的缺点。多层结构压电机械天线各层材料选择、厚度、极化方向均可随设计需求调节，可控参数多，可调方式多样化，对于促进机械天线在长波通信中的应用具有重大的现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1a至图1c为本发明实施例1中的压电机械天线的三种结构示意图；
图2为本发明实施例1中三种不同极化组合的压电陶瓷组成的压电机械天线的阻抗曲线；
图3为本发明实施例1中三种不同极化组合的压电陶瓷组成的压电机械天线在15cm处仿真得到的磁感应强度；
图4为本发明实施例2中的压电机械天线的结构示意图；
图5为本发明实施例2中不同中间层压电陶瓷厚度的压电机械天线的阻抗曲线；
图6为本发明实施例2中不同中间层压电陶瓷厚度的压电机械天线在15cm处仿真得到的磁感应强度；
图7为本发明实施例3中的压电机械天线的结构示意图；
图8为本发明实施例3中不同中间层压电陶瓷极化方向的压电机械天线的阻抗曲线；
图9为本发明实施例3中不同中间层压电陶瓷极化方向的压电机械天线在15cm处仿真得到的磁感应强度。
附图标号：
100-压电机械天线；10-天线基体；12-片状压电陶瓷；20-馈电电极。
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，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种压电机械天线100，请参阅图1a至图1c，以及图4和图7，图中箭头方向为极化方向，压电机械天线100包括天线基体10和设置在天线基体10极化方向所指两端面的馈电电极20，天线基体10由多层片状压电陶瓷12粘接而成，其中，片状压电陶瓷12的极化方向与馈电电极20的连接方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°。
具体的，压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，逆压电效应即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化，就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。
具体的，构成天线基体10的多层片状压电陶瓷12可以为两层、三层、四层或五层等。片状压电陶瓷12是通过将整块压电陶瓷进行极化之后切割得到的，整块压电陶瓷进行极化之后的极化方向相同，而片状压电陶瓷12由于切割方向不同极化方向可以不同，片状压电陶瓷12可以与整块压电陶瓷极化方向呈任意角度进行切割，最终切割得到的片状压电陶瓷12只是极化方向上不相同，但是在外形上基本相同，均为具有一定长宽高的片状，使得多个片状压电陶瓷12可以粘接为天线基体10。
具体而言，例如整块压电陶瓷的极化方向为由上到下，切割得到的片状压电陶瓷12的极化方向可以为由上到下，或者由下到上，或者为与竖直方向的夹角为0°≤θ≤180°即可。
本申请提供一种基于极化超材料的压电机械天线，由多层片状压电陶瓷12组成，天线两端设置馈电电极20，在外加交流电激励的情况下，在谐振频率处产生较强的电磁辐射，用以形成超材料压电机械天线。随着各层压电陶瓷厚度和极化方向的改变，压电机械天线100的谐振频率也随之发生改变，实现压电机械天线的可控多频功能。本申请提供的压电机械天线改变了以往单层单一结构压电机械天线的设计方法，将多层结构引入到压电机械天线的设计方法中，克服了结构设计单一，工作频率可调性差的缺点。多层结构压电机械天线各层材料选择、厚度、极化方向均可随设计需求调节，可控参数多，可调方式多样化，对于促进机械天线在长波通信中的应用具有重大的现实意义。
优选地，请参阅图1b和图1c，片状压电陶瓷12的极化方向与馈电电极20的连接方向的夹角θ不完全为0°或180°。也即片状压电陶瓷12的极化方向与馈电电极20的连接方向不完全相同，使得压电机械天线100的可调范围更大。
优选地，所述片状压电陶瓷的极化方向间隔相反设置。
优选地，所述多层片状压电陶瓷为三层，包括中间片状压电陶瓷和两边片状压电陶瓷。
优选地，所述中间片状压电陶瓷和所述两边片状压电陶瓷的宽度相同，所述中间片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角θ，0°≤θ≤60°。
优选地，30°≤θ≤60°。
优选地，所述天线基体的尺寸为10×10×40mm3，所述中间片状压电陶瓷的宽度为1mm，所述两边片状压电陶瓷的宽度为4.5mm。
本申请还提供一种压电机械天线的设计方法，包括：
将压电陶瓷在直流电场下进行极化，并去掉极化电极；
将所述极化后的压电陶瓷切割成片状压电陶瓷，使所述片状压电陶瓷的极化方向与所述压电陶瓷的极化方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°；
使用多层片状压电陶瓷进行粘接，得到天线基体，构成所述天线基体的片状压电陶瓷的极化方向不完全与所述压电陶瓷的极化方向相同；
在所述天线基体的极化方向两端面涂覆馈电电极；
使用交流电源连接所述馈电电极，进行激励发射电磁信号。
优选地，所述多层片状压电陶瓷为三层，包括中间片状压电陶瓷和两边片状压电陶瓷，所述中间片状压电陶瓷的极化方向与所述两边片状压电陶瓷的极化方向相反。
本申请还提供一种通信设备，包括上述的压电机械天线。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
实施例1的压电机械天线的总体尺寸为10×10×40mm3，包括三层，中间层片状压电陶瓷厚度为3mm，两边片状压电陶瓷厚度为3.5mm。首先，将PZT-5H压电陶瓷极化后，去除电极，利用线切割机进行切割为片状压电陶瓷，并进行粘结，两侧涂覆银电极，在交流电压的激励下产生电磁辐射。其结构如图1a至图1c所示，三层片状压电陶瓷的极化方向如图中标识。分别设置了三层片状压电陶瓷中的不同极化方向组合，分为同向极化(图1a)、中间层反向极化(图1b)、边层反向极化(图1c)作为示例，对应的三层压电机械天线谐振频率也随之改变，其对应关系如图2所示，同向极化的谐振频率为26.646kHz；中间层反向极化的谐振频率为25.617kHz；边层反向极化的谐振频率为25.537kHz。模拟仿真得到对应的距离15cm处的磁场强度如图3所示。
说明本发明的压电机械天线在同样的尺寸下可以通过调节片状压电陶瓷的极化方向来调节天线频率。
实施例2
三层压电机械天线的总体尺寸为10×10×40mm3，中间层片状压电陶瓷厚度为d，两边片状压电陶瓷厚度为(10-d)/2(单位：mm)。首先，将PZT-5H压电陶瓷制备完成后，首先进行极化，极化完成后，去除电极，利用线切割机进行切割，按照设计尺寸切割为片状。切割时保证片状压电陶瓷的极化方向与片状压电陶瓷的长边平行。使用粘接剂将三层片状压电陶瓷进行粘接，中间层的极化方向与两侧呈180°角，并在两端涂覆银电极。其结构如图4所示，三层片状压电陶瓷的极化方向如图中标识。改变中间层片状压电陶瓷厚度，对应的压电机械天线谐振频率也随之改变，其对应关系如图5所示，宽度d与频率的对应关系为d＝1mm，26.334kHz；d＝2mm，25.961kHz；d＝3mm，25.617kHz；d＝4mm，25.378kHz。模拟仿真得到对应的距离15cm处的磁场强度如图6所示。随着中间层片状压电陶瓷厚度的改变，谐振频率和产生磁场的磁感应强度会产生相应的变化，实现可调的功能。说明同样尺寸的压电机械天线，可以通过改变其中任一层片状压电陶瓷的厚度来调节频率。
实施例3
三层压电机械天线的总体尺寸为10×10×40mm3，中间层压电陶瓷厚度为3mm，两侧压电陶瓷厚度为3.5mm。PZT-5H压电陶瓷制备完成后，首先进行极化，极化完成后，去除电极，利用线切割机进行切割。切割时保证片状压电陶瓷的极化方向与片状压电陶瓷的长边之间角度为θ。使用粘接剂将三层片状压电陶瓷进行粘接，并在两端涂覆电极。其结构如图7所示，三层片状压电陶瓷的极化方向如图中箭头标识。改变中间层片状压电陶瓷的极化方向与片状压电陶瓷的长边之间角度θ，对应的压电机械天线谐振频率也随之改变，其对应关系如图8所示，θ与频率的对应关系为θ＝0°，26.646kHz；θ＝30°，27.325kHz；θ＝60°，27.302kHz；θ＝150°，26.483kHz；θ＝180°，25.617kHz。模拟仿真得到对应的距离15cm处的磁场强度如图9所示。随着中间层片状压电陶瓷极化方向的改变，谐振频率和产生磁场的磁感应强度会产生相应的变化，实现可调的功能。说明在同样尺寸下，通过改变其中任一层片状压电陶瓷的极化方向可以调节天线的频率。从而本发明的压电机械天线可以从多个方面调节天线频率，克服了结构设计单一，工作频率可调性差的缺点。多层结构压电机械天线各层材料选择、厚度、极化方向均可随设计需求调节，可控参数多，可调方式多样化，对于促进机械天线在长波通信中的应用具有重大的现实意义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种压电机械天线，其特征在于，包括天线基体和设置在所述天线基体极化方向所指两端面的馈电电极，所述天线基体由多层片状压电陶瓷粘接而成，其中，
所述片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°；
所述压电机械天线在同样的尺寸下，可通过调节任一个或多个所述片状压电陶瓷的极化方向来调节所述压电机械天线的频率。
2.根据权利要求1所述的压电机械天线，其特征在于，所述片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角θ不完全为0°或180°。
3.根据权利要求2所述的压电机械天线，其特征在于，所述片状压电陶瓷的极化方向间隔相反设置。
4.根据权利要求3所述的压电机械天线，其特征在于，所述多层片状压电陶瓷为三层，包括中间片状压电陶瓷和两边片状压电陶瓷。
5.根据权利要求4所述的压电机械天线，其特征在于，所述中间片状压电陶瓷和所述两边片状压电陶瓷的宽度相同，所述中间片状压电陶瓷的极化方向与所述馈电电极的连接方向的夹角θ，0°≤θ≤60°。
6.根据权利要求5所述的压电机械天线，其特征在于，30°≤θ≤60°。
7.根据权利要求4所述的压电机械天线，其特征在于，所述天线基体的尺寸为10×10×40 mm3，所述中间片状压电陶瓷的宽度为1mm，所述两边片状压电陶瓷的宽度为4.5mm。
8.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的压电机械天线。
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