CN114039199B - 一种频率可调谐的压电环机械天线和通信设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种频率可调谐的压电环机械天线和通信设备，该压电环机械天线包括具有上表面和下表面的柱状压电谐振单元和馈电电极，馈电电极对称设置在上表面和下表面，馈电电极为环形。交流电压源周期性的激励下，在逆压电效应作用下激发压电谐振单元径向振动，振动产生形变并激发产生内应力，在谐振频率处效果最强。在应力作用下，由于压电效应使得压电谐振单元两侧表面的区域产生周期性翻转的正负电荷区域，未覆盖电极区域电荷未被中和，可以在空间中产生电磁辐射。通过调整馈电结构中电极的宽度，调整压电谐振单元的谐振频率，可以实现甚低频压电机械天线的频率可调谐，调谐方式简洁，实用性强。

Description

一种频率可调谐的压电环机械天线和通信设备
技术领域
本申请涉及低频电磁通信技术领域，尤其涉及一种频率可调谐的压电环机械天线和通信设备。
背景技术
甚低频电磁波频率范围为3kHz-30kHz，波长在10km-100km，相比于高频电磁波，波长长，趋肤深度大，传输衰减小，适用于在地底、海水等环境中传播。因此，具有传播距离远、可靠性高、抗干扰能力强等特点，在潜艇通信、地震预测、电离层遥感等应用领域有着一定的优势。
传统天线为保证高的辐射效率，天线物理尺寸限制在电磁波波长的十分之一以上。现有的甚低频信号通信系统通常采用电小天线作为发射天线，天线尺寸可以减小到电磁波波长的十分之一以下。但应用于甚低频波段的电小天线仍然具有庞大的物理尺寸。此外，电小天线在减小尺寸的同时还带来了辐射效率低、工作频带窄的问题。为解决这一技术难题，人们提出了机械天线的设计。在超小物理尺寸下，实现了甚低频电磁波的产生，打破了天线尺寸与工作频率之间的限制。然而，目前对频率可调谐的压电机械天线研究极少，实现谐振频率可调谐可以拓展压电机械天线的应用场景，实现单天线的尺寸减小，多频段覆盖，设计紧凑，制作工艺简单。
发明内容
本申请的目的在于提供一种频率可调谐的压电环机械天线，解决压电机械天线频率不可调谐的问题。
为实现以上目的，本申请提供一种频率可调谐的压电环机械天线，包括：
压电谐振单元，所述压电谐振单元为柱状，具有上表面和下表面；
馈电电极，所述馈电电极对称设置在所述上表面和所述下表面，所述馈电电极为环形。
优选地，所述压电谐振单元为压电陶瓷。
优选地，所述压电陶瓷为圆柱状。
优选地，所述压电陶瓷为中空圆柱状。
优选地，所述馈电电极沿所述上表面和所述下表面的边缘设置。
优选地，所述馈电电极在所述上表面和所述下表面的宽度为10～20mm。
优选地，所述馈电电极在所述上表面和所述下表面的宽度为10mm。
优选地，所述馈电电极为银电极。
优选地，所述银电极的厚度为20～50μm。
本申请还提供一种通信设备，包括上述的频率可调谐的压电环机械天线。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的一种频率可调谐的压电环机械天线，其工作频段的转换可以通过馈电电极宽度的改变来实现，调谐方式简洁，实用性强。
交流电压源周期性的激励下，在逆压电效应作用下激发压电谐振单元径向振动，振动产生形变并激发产生内应力，在谐振频率处效果最强。在应力作用下，由于压电效应使得压电谐振单元两侧表面的区域产生周期性翻转的正负电荷区域，未覆盖电极区域电荷未被中和，可以在空间中产生电磁辐射。通过调整馈电结构中电极的宽度，调整压电谐振单元的谐振频率，可以实现甚低频压电机械天线的频率可调谐。
此过程由于压电谐振单元本身在谐振频率处阻抗显著降低的特性，不需要附加复杂的阻抗匹配网络，天线搭建过程简化，整体尺寸减小。
对于压电环机械天线的馈电结构，压电陶瓷表面的电极宽度可以决定陶瓷的谐振频率，进而影响压电环机械天线的工作频率，可以实现压电环机械天线的频率可调谐。压电陶瓷谐振单元尺寸小，结构简单，有利于进一步提高通信系统的便携性和可扩展性。
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1为本申请的一实施例的压电环机械天线的结构示意图。
图2为本申请的一实施例的压电环机械天线电路连接及电磁辐射示意图。
图3为本申请的一实施例的压电环机械天线的馈电电极宽度与天线谐振频率的关系示意图。
图4为本申请的一实施例的压电环机械天线辐射的磁场强度仿真结果图。
图5为本申请的另一实施例的压电环机械天线的结构示意图。
图6为本申请的另一实施例的压电环机械天线的馈电电极宽度与天线谐振频率的关系示意图。
图7为本申请的另一实施例的压电环机械天线辐射的磁场强度仿真结果图。
图8至图10为本申请的又一实施例的压电环机械天线的结构示意图。
图11为本申请的又一实施例的压电环机械天线的馈电电极位置与天线谐振频率的关系示意图。
图12为本申请的又一实施例的压电环机械天线辐射的磁场强度仿真结果图。
附图标记：
100-压电环机械天线；10-压电谐振单元；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。
本申请提供一种频率可调谐的压电环机械天线100，请参阅图1，包括：压电谐振单元10，压电谐振单元10为柱状，具有上表面和下表面；馈电电极20，馈电电极20对称设置在上表面和下表面，馈电电极20为环形。
具体的，压电谐振单元10为压电材料，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。
更具体的，压电谐振单元10为压电陶瓷，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。
压电谐振单元10为柱状，例如可以为圆柱、方柱等，压电谐振单元10的极化方向为柱状的上表面和下表面之间。
机械天线的信息加载在其机械驱动环节实现，电压激励与压电机械天线之间的馈电电极结构起着连接的作用。
本申请提供的一种频率可调谐的压电环机械天线，其工作频段的转换可以通过馈电电极宽度的改变来实现，调谐方式简洁，实用性强。
交流电压源周期性的激励下，在逆压电效应作用下激发压电谐振单元径向振动，振动产生形变并激发产生内应力，在谐振频率处效果最强。在应力作用下，由于压电效应使得压电谐振单元两侧表面的区域产生周期性翻转的正负电荷区域，未覆盖电极区域电荷未被中和，可以在空间中产生电磁辐射。通过调整馈电结构中电极的宽度，调整压电谐振单元的谐振频率，可以实现甚低频压电机械天线的频率可调谐。
此过程由于压电谐振单元本身在谐振频率处阻抗显著降低的特性，不需要附加复杂的阻抗匹配网络，天线搭建过程简化，整体尺寸减小。
对于圆柱状结构的压电环机械天线的馈电结构，压电陶瓷表面的电极宽度可以决定陶瓷的谐振频率，进而影响压电环机械天线的工作频率，可以实现压电环机械天线的频率可调谐。压电陶瓷谐振单元尺寸小，结构简单，有利于进一步提高通信系统的便携性和可扩展性。
优选地，所述压电谐振单元10为压电陶瓷。压电陶瓷是常用的压电材料，性能优异。其中，PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体，具有正压电效应和负压电效应。
优选地，所述压电陶瓷为圆柱状。
优选地，所述压电陶瓷为中空圆柱状。中空圆柱状的压电陶瓷可以减小压电陶瓷的内部应力，提高压电环机械天线的使用寿命。
优选地，所述馈电电极20沿所述上表面和所述下表面的边缘设置，得到的谐振频率和磁感应强度更大。
优选地，所述馈电电极20在所述上表面和所述下表面的宽度为10～20mm。馈电电极在上表面和下表面的宽度为例如可以为(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20)mm，或10～20mm之间的任一值。
优选地，所述馈电电极20在所述上表面和所述下表面的宽度为10mm。
优选地，所述馈电电极20为银电极。银的导电性能优越。
优选地，所述银电极的厚度为20～50μm。
本申请还提供一种通信设备，包括上述的频率可调谐的压电环机械天线。
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
图1为本发明的一实施例的频率可调谐的压电环机械天线的结构示意图，如图1所示，该压电环机械天线100为圆柱状，该压电环机械天线100由单层压电谐振单元10即压电陶瓷圆环柱组成，压电陶瓷圆柱尺寸为60mm×16mm×10mm(外径R1×内径R2×厚度H)。馈电电极20设置在压电陶瓷圆柱上表面和下表面边缘处，涂覆银电极用于连接外部电路，以此来添加激励。
如图2所示，机械振动源用以为压电环机械天线100提供激励，激励信号为交流信号，添加50Ω的输入阻抗，使得压电谐振单元10产生电磁辐射。馈电结构为压电陶瓷圆柱上下表面的环形馈电电极20，环形电极位置位于边缘，外径为60mm，宽度范围在10～20mm之间进行调整，分别设置馈电电极20宽度为10mm、12mm、14mm、16mm、18mm和20mm的六种压电环机械天线。电极材料选择银电极，厚度在20μm左右。压电陶瓷材料选择常见的压电陶瓷种类PZT-5H，极化方向沿上下表面之间的方向。
实施例1获得的六种频率可调谐的压电机械天线的效果通过以下仿真进一步说明。
1、仿真条件
仿真中设置激励源为6V交流电信号，设置50Ω的输入电阻，周围传输介质均为空气，其余环境均为理想状态，磁感应强度测试点距离振动的磁极距离为10m，压电材料选择内置材料库中的PZT-5H。
二、仿真内容
一方面是确定压电陶瓷的谐振频率，首先是压电机械天线利用逆压电效应，在谐振频率处，压电陶瓷材料在外部电压激励下产生径向振动，振动时产生内应力，在应力作用下由于压电效应在压电陶瓷圆环两次产生正负电荷区域，没有覆盖电极的区域的电荷由于未被电极中和可以在其周围产生电磁辐射。该过程在图2中显示，图中压电陶瓷内部箭头代表了某时刻电流密度的方向。另外，在距离压电环机械天线10m处设置仿真的观测点，监测压电机械天线产生磁场的强度。
对于压电陶瓷的谐振频率，从如图3所示的阻抗图中可以看到，不同设计宽度的馈电电极对应不同的谐振频率。电极宽度W与谐振频率的对应关系为10mm：28.48kHz，12mm：27.96kHz，14mm：27.49kHz，16mm：27.02kHz，18mm：26.61kHz，20mm：26.31kHz。对空气介质中距离10m处的磁场强度进行仿真得到图4结果，压电环机械天线分别在各自的谐振频率处达到了电磁辐射峰值。
压电环机械天线产生电磁辐射的过程由于压电材料本身在谐振频率处阻抗显著降低的特性，不需要附加的复杂阻抗匹配网络，天线搭建过程简化，整体尺寸减小。
实施例2
图5为本发明的另一实施例的频率可调谐的压电环机械天线的结构示意图，如图5所示，该压电环机械天线100为方柱状，该压电环机械天线100由单层压电谐振单元10即压电陶瓷方环柱组成，压电陶瓷方柱尺寸为60mm×16mm×10mm(外径r1×内径r2×厚度h)。馈电电极20设置在压电陶瓷方柱上表面和下表面边缘处，涂覆银电极用于连接外部电路，以此来添加激励。
机械振动源用以为压电环机械天线100提供激励，激励信号为交流信号，添加50Ω的输入阻抗，使得压电谐振单元10产生电磁辐射。馈电结构为压电陶瓷方柱上下表面的环形馈电电极20，环形电极位置位于边缘，外径为60mm，宽度w范围在10～20mm之间进行调整，分别设置馈电电极20宽度为10mm、12mm、14mm、16mm、18mm和20mm的六种压电环机械天线。电极材料选择银电极，厚度在20μm左右。压电陶瓷材料选择常见的压电陶瓷种类PZT-5H，极化方向沿上下表面之间的方向。
实施例2获得的六种频率可调谐的压电机械天线的效果通过上述实施例1所述的仿真进一步说明。
对于压电陶瓷的谐振频率，从如图6所示的阻抗图中可以看到，不同设计宽度的馈电电极对应不同的谐振频率。电极宽度w与谐振频率的对应关系为10mm：23.77kHz，12mm：23.388kHz，14mm：22.96kHz，16mm：22.641kHz，18mm：22.283kHz，20mm：22.196kHz。对空气介质中距离10m处的磁场强度进行仿真得到图7结果，压电环机械天线分别在各自的谐振频率处达到了电磁辐射峰值。
实施例3
图8至图10为本发明的又一实施例的频率可调谐的压电环机械天线的结构示意图，其中图8为馈电电极20设置在压电振单元10的上下表面靠近内侧位置的压电环机械天线100，图9为馈电电极20设置在压电振单元10的上下表面的中间位置的压电环机械天线100，图10为馈电电极20设置在压电振单元10的上下表面靠近外侧边缘的压电环机械天线100。压电陶瓷圆柱尺寸均为60mm×16mm×10mm(外径×内径×厚度)，馈电电极20均为银电极，厚度在20μm左右，馈电电极20的宽度均为10mm，以此来添加激励。压电陶瓷材料选择常见的压电陶瓷种类PZT-5H，极化方向沿上下表面之间的方向。
实施例3获得的三种频率可调谐的压电机械天线的效果通过上述实施例1所述的仿真进一步说明。
对于压电陶瓷的谐振频率，从如图11所示的阻抗图中可以看到，不同设计位置的馈电电极对应不同的谐振频率。馈电电极位置与谐振频率的对应关系为内侧：27.225kHz，中间：27.311kHz，外侧：28.48kHz。对空气介质中距离10m处的磁场强度进行仿真得到图12结果，压电环机械天线分别在各自的谐振频率处达到了电磁辐射峰值。
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 (7)

1.一种频率可调谐的压电环机械天线，其特征在于，包括：
压电谐振单元，所述压电谐振单元为中空圆柱状，具有上表面和下表面；
馈电电极，所述馈电电极对称设置在所述上表面和所述下表面，所述馈电电极为环形；
所述压电谐振单元在同样的尺寸下，所述馈电电极在同样的厚度和宽度下，可通过调节所述馈电电极在所述上表面和所述下表面的位置来调节所述压电环机械天线的频率。
2.根据权利要求1所述的压电环机械天线，其特征在于，所述压电谐振单元为压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的压电环机械天线，其特征在于，所述馈电电极在所述上表面和所述下表面的宽度为10~20 mm。
4.根据权利要求3所述的压电环机械天线，其特征在于，所述馈电电极在所述上表面和所述下表面的宽度为10mm。
5.根据权利要求3所述的压电环机械天线，其特征在于，所述馈电电极为银电极。
6.根据权利要求5所述的压电环机械天线，其特征在于，所述银电极的厚度为20~50μm。
7.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的频率可调谐的压电环机械天线。
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