CN115642388A

CN115642388A - 一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线

Info

Publication number: CN115642388A
Application number: CN202211078244.2A
Authority: CN
Inventors: 汪尧进; 程佳伟; 吴瀚舟; 符士锋; 蒋涛; 宋雅婷
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开了一种Rosen型结构的甚低频磁电天线。本发明所述甚低频磁电天线包括压电体、磁致伸缩体、永磁体；所述压电体通过树脂与磁致伸缩体粘结形成磁电复合结构；所述永磁体设置在磁电复合结构的两端。本发明所制备的甚低频磁电天线在相同的驱动频率、驱动功率和尺寸下，与传统的圆环形天线相比，辐射强度提高了两个数量级，辐射效率提高了四个数量级。

Description

一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线

技术领域

本发明涉及低频长波通讯领域，尤其涉及一种基于Rosen型结构的甚低频磁电线。

背景技术

天线是电磁波通讯过程中的关键部件，通常可以根据辐射机理的差异分为传统天线和机械天线。传统天线依赖于谐振电路和振荡电流，通过电荷的运动向外辐射电磁波，其尺寸与波长相当。在低频长波通讯领域，传统天线受到尺寸限制，实施起来十分困难。因此低频天线的尺寸小型化是一项急需解决的难题。磁电天线是机械天线的一种，其通过压电材料的逆压电效应与磁致伸缩材料的压磁效应的能量转换方式实现电磁波辐射。由于磁电天线利用声波谐振的方式取代电磁谐振，且声波的波速远小于电磁波波速，故在相同频率下，磁电天线比传统天线更易实现小型化，在低频长波通讯领域更具优势。但目前磁电天线很难同时满足小尺寸和较优的辐射性能和甚低频的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线。本发明所述结构的甚低频磁电天线有望实现甚低频通信系统的突破，具有尺寸小、能耗低、辐射效率高等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电体、磁致伸缩体、永磁体；所述压电体通过树脂与磁致伸缩体粘结形成磁电复合结构；所述永磁体设置在磁电复合结构的两端。

进一步的，所述Rosen型是将压电材料与磁致伸缩材料左右通过环氧树脂粘接在一起形成的结构。

进一步地，所述永磁体包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ，永磁体Ⅰ设置在磁电复合结构的压电体一端，永磁体Ⅱ设置于磁电复合结构的磁致伸缩体一端。

进一步地，所述永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ均由多个单块永磁体通过磁性吸附构成，且永磁体Ⅰ所含单块永磁体的数量大于永磁体Ⅱ；所述多个是指2个以上。

进一步地，所述甚低频磁电天线还包括导电银浆层及两根导线，所述导电银浆层包括第一电极层和第二导电银浆层，第一电极层涂覆于压电体的上表面；第二电极层涂敷于压电体的下表面，所述两根导线通过导电银胶分别从第一电极层和第二电极层的表面引出。

进一步地，所述压电体为锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料或铌酸钾钠基压电材料；压电材料沿厚度方向极化。

进一步地，所述压电体为锆钛酸铅基压电材料。

进一步地，所述压电体为PZT-4。

进一步地，所述磁致伸缩体为Terfenol-D、FeGa或FeCoB，磁化方向沿着其长度方向。

进一步地，所述磁致伸缩材料Terfen0l-D，沿其长度方向磁化。

进一步地，所述永磁体为铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、铁氧体永磁材料、钕铁硼系永磁合金中的一种。

进一步地，所述压电体的长*高*深为45×4×6mm³；磁致伸缩体长度为 15～45mm，宽度为6mm，高度为4mm；压电体与磁致伸缩体左右粘接形成Rosen 型结构；单块永磁体的尺寸为50×50×10mm³。永磁体与复合结构相对的面的尺寸为50*50mm²，厚度为10mm。

本发明有益的技术效果在于：

本发明设计的Rosen型磁电天线，将压电材料与磁致伸缩材料左右通过环氧树脂粘接在一起，通过压电材料的逆压电效应与磁致伸缩材料的压磁效应的组合，在压电材料两端施加特定频率驱动电压，通过其逆压电效应实现电能-机械能转换，压电材料通过耦合界面将机械能传递至磁致伸缩材料，再借助于磁致伸缩材料的压磁效应引发磁性层中磁化振荡，产生动态变化磁通量，这种动态变化磁通量作为辐射源向空间辐射电磁波；本发明利用所设计的Rosen型结构的一阶谐振模式，在相同功率驱动下，与同尺寸电小天线相比，辐射强度提升了两个数量级。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线示意图；

图中：1、压电体；2、磁致伸缩体；3、环氧树脂；4、电极层；5、导线；6、永磁体。

图2为本发明实施例3所述磁电天线的逆磁电系数随偏置磁场的变化示意图。

图3为本发明实施例3所述磁电天线在最优偏置磁场下逆磁电系数随频率的变化示意图。

图4为距本发明实施例3所述磁电天线20cm处磁感应强度大小与磁电天线驱动功率的关系示意图。

图5为在图4所示的最大驱动功率下，实施例3和对比例的传统圆环型天线的磁感应强度大小随距离的衰减关系示意图。

图6为本发明实施例3的磁电天线的近场辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

如图1所示，Rosen型结构磁电天线包括压电体1，磁致伸缩体2，二者通过环氧树脂3粘接在一起形成复合结构。所述复合结构的左右两侧各设置一组永磁体，所述永磁体包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ；永磁体1设置在复合结构的压电体端，永磁体Ⅱ设置在复合结构的磁致伸缩体端。且所述永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ 均由多块单块永磁体组成，且永磁体Ⅰ所含单块永磁体的数量大于永磁体Ⅱ。永磁体6为磁致伸缩材料提供最佳偏置磁场。所述压电体1的上下表面分别涂覆有电极层4，其中上表面涂覆第一电极层，下表面涂覆第二电极层，导线5通过导电银胶固定在电极层表面。

可选的，压电体为锆钛酸铅(PZT)基、铌镁酸铅(PMN)基、钛酸钡(BT)基或铌酸钾钠(KNN)基压电材料中的一种。磁致伸缩体为Terfenol-D、FeGa、FeCoB 中的一种。

可选的，磁致伸缩体长度为15～45mm，宽度为6mm，高度为4mm；压电材料尺寸为45×6×4mm³，通过长度方向左右对接得到复合结构。

一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线的工作原理为：在压电材料两端施加特定频率驱动电压，通过其逆压电效应实现电能-机械能转换，压电材料通过耦合界面将机械能传递至磁致伸缩材料，再借助于磁致伸缩材料的压磁效应引发磁性层中磁化振荡，产生动态变化磁通量，这种动态变化磁通量作为辐射源向空间辐射电磁波。

由于磁致伸缩材料的强非线性，在实际使用时需要为其提供偏置磁场，以确保其工作在线性区域，在组装磁电天线时，通过在其两端添加永磁材料为其提供偏置磁场。

实施例1：

一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电体、磁致伸缩体、永磁体；所述压电体为PZT-4，尺寸为45×6×4mm³；磁致伸缩材料选择为Terfenol-D，尺寸为15×6×4mm³。所述压电体通过环氧树脂与磁致伸缩体粘结形成磁电复合结构；所述永磁体设置在磁电复合结构的两端。所述 Rosen型是将压电材料与磁致伸缩材料左右通过环氧树脂粘接在一起形成的结构。

永磁体包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ，永磁体Ⅰ设置在磁电复合结构的压电体一端，永磁体Ⅱ设置于磁电复合结构的磁致伸缩体一端。所述永磁体Ⅰ和永磁体 Ⅱ均由单块永磁体构成，永磁体材料均为钕铁硼磁铁，每块尺寸为 50×50×10mm³，永磁体Ⅰ包括四块钕铁硼磁铁，永磁体Ⅱ包括三块钕铁硼磁铁。

所述甚低频磁电天线还包括导电银浆层及两根导线，所述导电银浆层包括第一导电银银浆层和第二导电银浆层，第一导电银浆层涂覆于压电体的上表面；第二导电银浆层涂敷于压电体的下表面，所述两根导线分别从第一导电银浆层和第二导电银浆层的表面引出。

所述基于Rosen型结构的甚低频磁电天线的制备方法为：

(1)配置好环氧树脂胶水备用；

(2)将压电材料与磁致伸缩材料用酒精擦洗，去除表面的油脂；

(3)将清洁后的二者水平放置在聚四氟乙烯薄膜上，左右对接；

(4)在对接面上均匀的涂抹环氧树脂胶水，将磁电复合材料粘接成型，并在磁电复合材料的两端放置重物，向内挤压保证磁电复合材料粘接牢固；

(5)静置12小时，待胶水完全凝固，胶水凝固后，用薄刀片将表面溢出的胶水刮去；

(6)用导电银胶在导电银浆电极层上引出导线；

(7)在磁电复合材料两端放置永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ为其提供最佳偏置磁场。

实施例2：

实施例2与实施例1的不同仅在于所用磁致伸缩体的长度为30mm，其余参数及制备方法均与实施例1相同。

实施例3：

实施例2与实施例1的不同仅在于所用磁致伸缩体的长度为45mm，其余参数及制备方法均与实施例1相同。

实施例4：

实施例4与实施例1的不同仅在于所用压电体为铌镁酸铅基压电材料，磁致伸缩体为FeGa，永磁体为铁铬钴系永磁合金。其余参数及制备方法均于实施例 1相同。

实施例5：

实施例5与实施例1的不同仅在于所用压电体为铌酸钾钠基压电材料，磁致伸缩体为FeCoB，永磁体为铁氧体永磁材料。其余参数及制备方法均于实施例1 相同。

对比例1：

对比例是与实施例3同尺寸的传统圆环型电天线，所述同尺寸即圆环天线的面积与磁电复合材料的面积相等(圆环天线的面积与磁电复合材料的面积相等，为90*6＝540mm²)。在同样的驱动功率，同样驱动频率下，对比磁电天线和环形天线的辐射强度和效率。

测试例：

磁电天线的辐射强弱依赖于激励电压的频率和幅度，在磁电复合材料的谐振频率下，辐射效果最好。图2为本发明实施例3所述磁电天线的逆磁电系数随偏置磁场的变化示意图。如图2所示，实验通过通电螺线管测得本实施例制备的磁电天线的最佳偏置磁场为300Oe。

图3为本发明实施例3所述磁电天线在最优偏置磁场下逆磁电系数随频率的变化示意图。如图3所示，实施例3制备的磁电天线的一阶谐振频率为14.425 kHz，由于在谐振态下天线的辐射强度远大于准静态，同时低频通讯领域要求天线频率尽可能低，因此在本发明中选用一阶谐振频率作为天线的工作频率。

图4为距本发明实施例3所述磁电天线20cm处磁感应强度大小与磁电天线驱动功率的关系示意图。由图可知，实施例3制备的磁电天线的辐射强度与驱动功率密切相关，驱动功率越大即施加的电压越大，天线的辐射强度越强。

图5为在图4所示的最大驱动功率下，实施例3和对比例1的天线的磁感应强度大小随距离的衰减关系示意图。如图5所示，磁电天线辐射出的电磁波信号，随距离的三次方衰减。在相同功率的驱动下，磁电天线比相同尺寸的圆环型天线的辐射强度高出两个数量级。

圆圆型天线的近场的理论辐射磁通密度的公式如下：

其中μ₀是自由空间磁导率(4π×10^-7H/m),η自由空间的辐射阻抗(377Ω),k 是与波长λ相关的辐射系数

Z₀是传输线阻抗(Z₀＝50Ω)；R_r是天线的辐射阻抗(

S是环形天线的面积)；P_in是天线的输入功率，与磁电天线相等；r为与天线相隔的距离。

如图5所示，实测的磁电天线的辐射强度相比环形天线的理论计算值高了两个数量级。磁电天线的辐射效率η_ME与环形天线的辐射效率η_loop关系如下：

圆环型天线的辐射效率计算公式为：

式中：B_ME和B_loop分别为相同距离r下磁电天线与圆环型天线所引起的磁通密度大小。

由此可得实施例3的辐射效率为5.58×10^-17，比圆环形天线高了4个数量级。

图6为本发明实施例3的磁电天线的近场辐射方向图。由图6可知，实施例 3制备的磁电天线有明显的方向性。

上述实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用发明。熟悉本领域的技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并将在此说明的一般原理应用到其他实施例中。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的修改和改进都应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于Rosen型结构的甚低频磁电天线，其特征在于，所述甚低频磁电天线包括压电体、磁致伸缩体、永磁体；所述压电体通过树脂与磁致伸缩体粘结形成磁电复合结构；所述永磁体设置在磁电复合结构的两端。

2.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述永磁体包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ，永磁体Ⅰ设置在磁电复合结构的压电体一端，永磁体Ⅱ设置于磁电复合结构的磁致伸缩体一端。

3.根据权利要求2所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ均由多个单块永磁体通过磁性吸附构成，且永磁体Ⅰ所含单块永磁体的数量大于永磁体Ⅱ；所述多个是指两个以上。

4.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述甚低频磁电天线还包括电极层及两根导线，所述导电银浆层包括第一电极层和第二电极层，第一电极层涂覆于压电体的上表面；第二电极层涂敷于压电体的下表面，所述两根导线通过导电银胶分别从第一电极层和第二电极层的表面引出。

5.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述压电体为锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料或铌酸钾钠基压电材料。

6.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述压电体为锆钛酸铅基压电材料。

7.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述压电体为PZT-4。

8.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述磁致伸缩体为Terfenol-D、FeGa或FeCoB。

9.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述磁致伸缩材料Terfenol-D。

10.根据权利要求1所述的甚低频磁电天线，其特征在于，所述永磁体为铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、铁氧体永磁材料、钕铁硼系永磁合金中的一种。