CN114512791A - 一种双频甚低频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频甚低频天线，包括：正负电极、硅基板、压电材料、应力‑电磁转换材料、绝缘体；所述压电材料设置于所述正负电极之间；所述正负电极两端分别设置所述应力‑电磁转换材料与所述硅基板。所述正负电极用于驱动所述压电材料；所述压电材料用于产生颤振，并将所述颤振传导至所述应力‑电磁转换材料；所述应力‑电磁转换材料用于将颤振产生的振动波转化为电磁波辐射。本发明可以实现双频甚低频天线，且尺寸远远小于传统的低频天线，且可以实现空水互联。

Description

一种双频甚低频天线
技术领域
本发明属于多频天线和天线小型化领域，特别是涉及一种双频甚低频天线。
背景技术
传统甚低频天线是水下通信和探测、陆地通信探测、超视距雷达等的重要组成部分，甚至是水下通信和探测的主要组成部分，其主要用于全球监测、地下通信、探矿和水下通信和探测等领域。然而，传统的甚低频天线尺寸和波长相比拟，长度达数公里乃至数十公里，严重限制了甚低频天线在水下、单兵通信等方面的应用。近年来，甚低频天线在医学方面的应用引起了国内外学者的兴起，同时甚低频可以用作人体通信，也是未来互联的主要方式之一，对甚低频天线的小型化需求越来越大。传统的甚低频天线主要由细导线或者漆包线缠绕而成，要么重量太大，要么长度太长，不能实现机动灵活的部署。
近年来，随着甚低频个人通信、医疗通信、医疗监测、水下通信，空天海一体化建设的需求，甚低频天线设计朝着小型化、轻量化、芯片化的方向发展，期待可以安装在移动设备、汽车、水下潜器、单兵背负装备、蛙人通信装备和空天设备上，以实现多域通信的互联互通，实现广域或者多域的探测。然而，传统的甚低频天线主要采用细线或者是长导线设计，其长度和谐振频率的波长相比拟，虽然天线尺寸较大，但是其效率和增益不高，同时采用长导线设计，其尺寸较大，不能满足实际的水下、单兵背负、空天设备以及医学监测和身体通信的需求，同时受到安装环境的限制，不能实现便携设计和小型化。
发明内容
针对目前甚低频小型化、频带单一、体积和尺寸较大的问题，本发明的目的在于提出一种双频甚低频天线，以实现小型化设计，且比同尺寸的传统甚低频天线的性能优越，同时所设计的甚低频声激励天线具有极化可控性。
为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种双频甚低频天线,包括：
正负电极、硅基板、压电材料、应力-电磁转换材料、绝缘体；
所述压电材料设置于所述正负电极之间；
所述正负电极两端分别设置所述应力-电磁转换材料与所述硅基板；
所述正负电极用于驱动所述压电材料；
所述压电材料用于产生颤振，并将所述颤振传导至所述应力-电磁转换材料；
所述应力-电磁转换材料用于将颤振产生的振动波转化为电磁波辐射。
优选地，还包括绝缘体；
所述正负电极包括第一正负电极、第二正负电极；
所述硅基板包括第一硅基板、第二硅基板；
所述压电材料包括第一压电材料、第二压电材料；
所述应力-电磁转换材料包括第一应力-电磁转换材料、第二应力-电磁转换材料；
所述绝缘体设置于所述第一硅基板、所述第一正负电极、所述第一压电材料与所述第二硅基板、所述第二正负电极、所述第二压电材料之间。
优选地，所述第一正负电极、所述第二正负电极的正电极与电源正极连接，且电压相同；
所述第一正负电极、所述第二正负电极的负电极与电源负极连接。
优选地，所述第一正负电极与所述第二正负电极的正电极在同一平面，负电极不在同一平面。
优选地，所述第一压电材料与所述第二压电材料的厚度不同。
优选地，所述第一压电材料与所述第二压电材料为厚度不同的压电材料薄片，所述压电材料薄片至少包括矩形、圆形、多边形。
优选地，所述双频甚低频天线通过调节所述压电材料的厚度、所述正负电极的电压控制实现不同频率的谐振，产生双频特性。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所设计的一种双频甚低频天线在发射信号时，通过电压激励压电材料，使压电材料薄片产生颤振，通过压电材料薄片的颤振传导给应力-电磁转换材料，实现将电压引起的颤振转化为电磁波。由于本发明采用的压电材料薄片的厚度不一样，且使用相同的电压进行激励，所以会产生两个不同的谐振频率，通过设计不同的电压激励压电材料薄片，可以实现双频带和多频带甚低频天线设计。本发明采用电压激励的压电材料薄片产生震颤，并将震颤传导至应力-电磁转换材料，由应力-电磁转换材料将颤振的频率转化为电磁波的频率，并将电磁波信号辐射出去。由于所设计的双频甚低频天线可以通过控制超材料的中压电材料薄片的厚度控制谐振频率，实现频率的调整。此外，由于电压激励方式的存在和压电材料的使用，使得同尺寸声激励天线的尺寸比传统天线尺寸缩减4-5个量级，而压电特性的存在，进一步的缩减了天线的尺寸。此外，两个压电材料和硅基板之间采用绝缘体将二者隔开，实现两个频率的单独设计。本发明设计的天线很小，便于安装在移动设备、背负设备以及空天装备等，有效的突破了传统甚低频天线频率单一、很难实现多频带设计的难题，不仅极大的降低了设备的体积和尺寸，而且还可以降低设备的成本和重量，极大的促进了甚低频乃至超低频的广泛应用，为未来的超低频天线的设计提出新的解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的双频甚低频天线的正视图；
图2为本发明实施例的双频甚低频天线的俯视图；
图3为本发明实施例的双频甚低频天线的侧视图；
其中，2和3、8和9分别为一对正负电极，1和7为硅基板，4和10为压电材料，5和11为应力-电磁转换材料，6为绝缘体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
随着新材料和新技术的发展，甚低频天线的芯片化设计成为目前研究的热点，不仅可以提高天线的效率，实现轻小设计，还可以和目前的无线通信设备、单兵设备、水下设备、空天装备进行集成，同时可以实现空水通信需求。
如图1所示，本发明提供了一种双频甚低频天线,包括：
正负电极、硅基板、压电材料、应力-电磁转换材料、绝缘体；
所述压电材料设置于所述正负电极之间；
所述正负电极两端分别设置所述应力-电磁转换材料与所述硅基板；
所述正负电极用于驱动所述压电材料；
所述压电材料用于产生颤振，并将所述颤振传导至所述应力-电磁转换材料；
所述应力-电磁转换材料用于将颤振产生的振动波转化为电磁波辐射。
还包括绝缘体；
所述正负电极包括第一正负电极、第二正负电极；
所述硅基板包括第一硅基板、第二硅基板；
所述压电材料包括第一压电材料、第二压电材料；
所述应力-电磁转换材料包括第一应力-电磁转换材料、第二应力-电磁转换材料；
所述绝缘体设置于所述第一硅基板、所述第一正负电极、所述第一压电材料与所述第二硅基板、所述第二正负电极、所述第二压电材料之间。
所述第一正负电极、所述第二正负电极的正电极与电源正极连接，且电压相同；
所述第一正负电极、所述第二正负电极的负电极与电源负极连接。
所述第一正负电极与所述第二正负电极的正电极在同一平面，负电极不在同一平面。
所述第一压电材料与所述第二压电材料的厚度不同。
所述第一压电材料与所述第二压电材料为厚度不同的压电材料薄片，所述压电材料薄片至少包括矩形、圆形、多边形。
所述双频甚低频天线通过调节所述压电材料的厚度、所述正负电极的电压控制实现不同频率的谐振，产生双频特性。
实施例一
进一步地，本发明提供的双频甚低频天线,包括：包括两对正负电极(其中2和3为一对正负电极，8和9为一对正负电极)、压电材料4和10、绝缘体6、硅基板1和7、应力-电磁转换材料5和11，两对正负电极的正电极与电源正极连接，负电极与电源负极连接。正负电极对1和正负电极对2的负电极不在一个平面，二者的正电极在同一个平面，(正负电极对1中，3为正电极，2为负电极；正负电极对2中，9为正电极，8为负电极)正负电极对2之间的压电材料10比正负电极对1之间的压电材料4厚，二者连接的应力-电磁转换材料尺寸一致。通过在两对正负电极对上施加电压，在电压的驱动下，压电材料层发生颤振，颤振幅度传递给应力-电磁转换材料5和11，引起应力-电磁转换材料的变化，将振动波转化为电磁波。通过控制压电材料的厚度，两对正负电极的电压，可以实现不同频率的谐振，使双频带低频天线工作在不同的谐振频率。
所述的两对正负电极的施加电压一样，压电材料厚度不一样，且两个压电材料和硅基板之间采用绝缘体6将二者隔开，实现双频独立设计。
所述的双频甚低频天线由两个相互连接的正负电极驱动两个压电材料，并将压电材料的颤振传递给应力-电磁转换材料，产生电磁波辐射，实现双频甚低频天线设计。
所述的双频甚低频天线的压电材料为两张不同的压电材料薄片，两张压电材料薄片的厚度不一致，且呈矩形结构，并可以根绝实际的需求，设计为圆形、多边形等结构，通过控制两对电极的电压、压电材料薄片的厚度，控制颤振的频率，进而调控甚低频天线的谐振频率，控制双频的谐振，达到所需的双频。
所述双频甚低频天线的两对正负电极可以通过直流电压源控制，且二者的电压一致，同时激励两张不同厚度的压电材料薄片，实现两个不同频率的谐振，达到双频甚低频天线设计的目的。
所述一种双频甚低频天线可以通过控制电压、压电材料薄片的厚度、压电材料薄片材料特性和参数，控制压电材料的颤振频率和幅度，传导给应力-电磁转换材料，实现双频甚低频天线的设计。
本发明的采用电压-应力-电磁场的转换原理以及天线的隔离设计方法，设计双频乃至多频甚低频天线或超低频天线，取代传统的天线设计，降低天线的尺寸，提高天线的机动性和灵活性。此外，所涉及双频甚低频天线与传统的甚低频天线方法和机理完全不同，主要通过电压的变化和压电材料的厚度调整天线的谐振频率，为甚低频天线的调控、多频化设计和灵活机动设计提供了新的设计方法。
实施例二
为了实现甚低频天线的双频设计，本发明提供的一种双频甚低频天线由两对正负电极(其中2和3为一对正负电极，8和9为一对正负电极)、压电材料4和10、绝缘体6、硅基板1和7、应力-电磁转换材料5和11构成，通过两对正负电极、压电材料和应力-电磁转换材料之间的作用，实现双频甚低频天线的设计。该发明的两对正负电极的正电极与电源正极连接，负电极与电源负极连接。正负电极对1和正负电极对2的负电极不在一个平面，二者的正电极在同一个平面，(正负电极对1中，3为正电极，2为负电极；正负电极对2中，9为正电极，8为负电极)正负电极对2之间的压电材料10比正负电极对1之间的压电材料4厚，二者连接的应力-电磁转换材料尺寸一致。通过在两对正负电极对上施加电压，在电压的驱动下，压电材料层发生颤振，颤振能量和幅度、频率传递给应力-电磁转换材料5和11，引起应力-电磁转换材料的变化，将压电材料的颤振转化为电磁波进行辐射，由于电压的变化和两个压电材料厚度的不同形成两个谐振频率，实现双频甚低频天线设计。
如图1-图3所示，包括两对正负电极、压电材料4和压电材料10、绝缘体6、硅基板1和7、应力-电磁转换材料5和11构成，通过两对正负电极、压电材料和应力-电磁转换材料，正负电极对1和正负电极对2的负电极不在一个平面，二者的正电极在同一个平面，正负电极对2之间的压电材料比正负电极对1之间的压电材料厚，二者连接的应力-电磁转换材料尺寸一致。所述的两对正负电极通过电压驱动，当施加电压时，压电材料4和压电材料10发生颤振，且二者的颤振的频率和幅度均不同。之后，压电材料4和压电材料10将颤振的频率和能量传递给应力-电磁转换材料，由应力-电磁转换材料将颤振转化为同频电磁波进行辐射。本发明的硅基板主要用作衬底，实现对两对正负电极、压电材料4和压电材料10和应力-电磁转换材料的支撑，绝缘体主要实现两对正负电极、压电材料4和压电材料10和应力-电磁转换材料以及硅基板之间的隔离，降低压电材料4与压电材料10之间的影响，实现双频甚低频天线的两个谐振频点的独立设计。该天线的尺寸在微米量级，天线的尺寸大大降低。
本发明采用压电材料、应力-电磁转换材料、绝缘体和硅基板，采用电压驱动的方式，实现双频甚低频天线的设计，由于电压驱动压电材料，可以控制电压的大小，调整压电材料的谐振模式，调整谐振频率，实现双频带的自由和灵活设计。该天线工作频段在甚低频频段，在同一频率下，所设计的双频甚低频的尺寸远远小于传统的甚低频天线，大大降低了甚低频天线的尺寸，所设计的双频甚低频天线可以实现空水通信和探测，可以安装在水下移动设备，蛙人背负，单兵背负、飞机、卫星等设备上，实现机动灵活的部署，也可以实现陆海空天的无缝互联。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双频甚低频天线,其特征在于，包括：
正负电极、硅基板、压电材料、应力-电磁转换材料、绝缘体；
所述压电材料设置于所述正负电极之间；
所述正负电极两端分别设置所述应力-电磁转换材料与所述硅基板；
所述正负电极用于驱动所述压电材料；
所述压电材料用于产生颤振，并将所述颤振传导至所述应力-电磁转换材料；
所述应力-电磁转换材料用于将颤振产生的振动波转化为电磁波辐射。
2.根据权利要求1所述的双频甚低频天线，其特征在于，还包括绝缘体；
所述正负电极包括第一正负电极、第二正负电极；
所述硅基板包括第一硅基板、第二硅基板；
所述压电材料包括第一压电材料、第二压电材料；
所述应力-电磁转换材料包括第一应力-电磁转换材料、第二应力-电磁转换材料；
所述绝缘体设置于所述第一硅基板、所述第一正负电极、所述第一压电材料与所述第二硅基板、所述第二正负电极、所述第二压电材料之间。
3.根据权利要求2所述的双频甚低频天线，其特征在于，
所述第一正负电极、所述第二正负电极的正电极与电源正极连接，且电压相同；
所述第一正负电极、所述第二正负电极的负电极与电源负极连接。
4.根据权利要求2所述的双频甚低频天线，其特征在于，
所述第一正负电极与所述第二正负电极的正电极在同一平面，负电极不在同一平面。
5.根据权利要求2所述的双频甚低频天线，其特征在于，
所述第一压电材料与所述第二压电材料的厚度不同。
6.根据权利要求2所述的双频甚低频天线，其特征在于，
所述第一压电材料与所述第二压电材料为厚度不同的压电材料薄片，所述压电材料薄片至少包括矩形、圆形、多边形。
7.根据权利要求1所述的双频甚低频天线，其特征在于，
所述双频甚低频天线通过调节所述压电材料的厚度、所述正负电极的电压控制实现不同频率的谐振，产生双频特性。
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