CN115799832A - 一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法，属于机械天线技术领域。解决了以解决现有的磁电机械天线普遍存在功率容量小、辐射能力弱、通信距离短的问题。它包括磁致伸缩层、两个过渡层、两组驱动层和两组尾部质量块，磁致伸缩层位于中心位置，两侧由中心向两端依次为过渡层、驱动层和尾部质量块，每组驱动层为多个压电陶瓷环与多个电极片交替堆叠而成，每组尾部质量块由质量块一、碟簧和质量块二依次连接而成。本发明的一种复合棒式磁电机械天线长度与传统三层结构磁电天线长度相当，当天线采用一阶纵振模态时可工作在甚低频频段。根据不同应用要求，本发明所述的一种复合棒式磁电机械天线可采用二阶纵振模态，或工作于其他频段。

Description

一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法

技术领域

本发明属于机械天线技术领域，特别是涉及一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法。

背景技术

为了实现在损耗介质以及跨域环境中的信息交换，发展高效率、小型化的低频通信天线成为了研究的热点和难点。传统射频偶极子天线依赖导体中电子的加速运动产生时变电磁场，其辐射效率与物理尺寸相互制约，无法同时满足高效、便携的应用需求。

从突破传统天线设计思路的角度出发，2018年美国国防高级研究计划局(DefenseAdvanced Research Projects Agency,DARPA)首次公布了机械天线的研究计划(AMEBA)。所谓的机械天线是通过控制电偶极子或者磁偶极子的机械运动,在空间建立时变的电场或磁场来传播信息。在四种典型机械天线的设计方法中，宏观上旋转驻极体或者永磁体，无法获得相对较高频率的辐射场，并且在信息调制时对驱动电机要求高，存在信息加载困难的突出问题。而在微观上动态调制压电材料中的电偶极子或者软磁材料中的磁偶极子则更易实现较高的辐射效率和信息带宽。其中，基于磁电耦合效应的偶极振荡式机械天线综合了压电驱动的高效性和偶极调制的可控性，是发展甚低频通信技术的关键基础。在相同尺寸下，磁电机械天线的辐射性能相较于传统的电小天线有数个数量级的提升。

但是，现有的磁电机械天线普遍存在功率容量小、辐射能力弱、通信距离短的突出问题，难以实现通信应用。背后的原因主要包括：1)传统磁电谐振器机械品质因数高，谐振阻抗低，难以支撑高驱动电场且带宽窄；2)层状复合的磁电复合材料压磁相体积小，磁矩不强；3)压电材料，尤其是压电单晶，居里温度低，强场驱动下服役性能不足。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法，是一种工作在纵振模态复合棒式低频磁电机械天线及其制备方法，以解决现有的磁电机械天线普遍存在功率容量小、辐射能力弱、通信距离短的突出问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法，包括磁致伸缩层、两个过渡层、两组驱动层和两组尾部质量块，所述磁致伸缩层位于中心位置，两侧由中心向两端依次为过渡层、驱动层和尾部质量块，每组驱动层为多个压电陶瓷环与多个电极片交替堆叠而成，每组尾部质量块由质量块一、碟簧和质量块二依次连接而成。

更进一步的，所述磁致伸缩层设置于复合棒天线一阶纵振模态的节点位置。

更进一步的，所述磁致伸缩层由软磁块材或者由软磁带材多层复合而成，磁致伸缩材料是Metglas、Fe-Ga合金、Terfernol-D合金、Fe-Ni合金、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体以及Ni金属中的一种。

更进一步的，所述过渡层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂连接，所述过渡层的材料为金属或合金。

更进一步的，每片压电陶瓷环都沿厚度方向极化且相邻两片之间电学并联。

更进一步的，所述压电陶瓷环的压电材料包括压电陶瓷和压电单晶，为LiNbO₃、BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种。

更进一步的，所述磁致伸缩层、两个过渡层、两组驱动层和两组尾部质量块为半径相同高度，中心设置通孔的圆柱体，然后各部件沿轴向依次粘接堆叠，最后由预应力螺栓通过中心通孔进行装配并施加预应力，最终装配完成后的天线整体为三个维度上都完全对称的圆棒状。

更进一步的，所述尾部质量块二的形状为圆柱形或者喇叭形。

一种所述的复合棒式磁电机械天线，具体包括以下步骤：

(1)、天线结构设计与仿真验证；

(2)、材料加工、夹具准备；

(3)、驱动层的制备；

(4)、将过渡层、尾部质量块与驱动层粘接复合；

(5)、将中间的磁致伸缩层与两端的复合结构体粘接复合得到天线主体；

(6)、使用预应力螺栓将碟簧、两个尾部质量块二以及上面得到的天线主体组装得到未施加预应力前的天线原型；

(7)、施加螺栓预应力，得到最终的复合棒天线原型。

与现有技术相比，本发明所述的一种复合棒式磁电机械天线及其制备方法的有益效果是：

(1)、本发明所述的一种复合棒式磁电机械天线长度与传统三层结构磁电天线长度相当，当天线采用一阶纵振模态时可工作在甚低频频段。同时该天线结构，也可以采用二阶纵振模态，工作于其他频段，具有频率选择性强，带宽大优势。

(2)、本发明所述的一种复合棒式磁电机械天线的驱动源为多层压电片构成的叠堆，一方面对磁致伸缩材料提供了更大的驱动力，更重要的是压电叠堆能大大提高天线的功率容量。

(4)本发明所述的一种复合棒式磁电机械天线的辐射源采用了更大体积的磁致伸缩材料，天线的辐射能力可以得到极大的提高，从而解决目前机械天线通信距离短的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的复合棒磁电机械天线的结构示意图；

图2为本发明所述的复合棒磁电机械天线具体实施例一尺寸示意图；

图3为本发明中具体实施例一的COMSOL的仿真结果图，包括一阶纵振模态及其特征频率；

图4为本发明中具体实施例一的COMSOL的仿真结果图，包括二阶纵振模态及其特征频率；

图5为本发明的一种降低谐振频率的具体实施例二及其结构设计方法；

图6为本发明的一种降低谐振频率的具体实施例二的COMSOL仿真结果图，包括一阶纵振模态及其特征频率；

图7为本发明的一种降低谐振频率的具体实施例二的COMSOL仿真结果图，包括二阶纵振模态及其特征频率；

图8为本发明的一种考虑节点位置应力放大而提出的具体实施例三及其结构设计方法；

图9为本发明的具体实施例三的COMSOL仿真结果图，包括一阶纵振模态及其特征频率；

图10为本发明的具体实施例三的COMSOL仿真结果图，包括二阶纵振模态及其特征频率。

图中：1-双头螺柱、2-螺帽、3-磁致伸缩层、4-过渡层、5-压电陶瓷环、6-电极片、7-质量块一、8-碟簧、9-质量块二。

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。

如图1所示，一种复合棒式磁电机械天线，包括磁致伸缩层3、两个过渡层4、两组驱动层和两组尾部质量块，所述磁致伸缩层3位于中心位置，两侧由中心向两端依次为过渡层4、驱动层和尾部质量块，每组驱动层为多个压电陶瓷环5与多个电极片6交替堆叠而成，每组尾部质量块由质量块一7、碟簧8和质量块二9依次连接而成。

磁致伸缩层3设置于复合棒天线一阶纵振模态的节点位置。磁致伸缩层3可以由软磁块材或者由软磁带材多层复合而成。磁致伸缩材料可以是Metglas、Fe-Ga合金、Terfernol-D合金、Fe-Ni合金、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体以及Ni金属中的一种。根据具体的实施例，磁致伸缩层3的形状和尺寸也可相应改变。

磁致伸缩层3两侧为声阻抗匹配过渡层4。过渡层4与磁致伸缩层3之间通过环氧树脂连接。过渡层4的材料可以是金属或合金，具体的可根据两端磁致伸缩层3与压电陶瓷环5的材料而定。根据具体的实施例，过渡层4的形状和尺寸也可相应改变。

压电陶瓷环5的压电材料包括压电陶瓷和压电单晶，可为LiNbO₃、BaTiO₃、Pb(ZrTi)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种。各压电片均为厚度极化并采用电学并联结构。各压电片与各电极片之间通过环氧树脂胶粘接。根据具体的实施例，压电叠堆的形状尺寸和堆叠片数也可相应改变。

复合棒天线的自由端增加尾部质量。尾部质量块由两层构成，分别为质量块一7和质量块二9，中间由碟簧8连接，靠近驱动层的质量块一7通过环氧树脂与驱动层进行粘接固定。尾部质量块的材料可以选择密度大、硬度高的金属或合金。

复合棒式磁电机械天线的各功能层通过螺栓连接，并由两侧的螺母配合碟簧施加预应力。

实施案例1：

参考图1，本发明提出的一种纵振模态的复合棒式磁电机械天线，包括双头螺柱1、固定螺母2、磁致伸缩层3、过渡金属层4、压电叠堆(驱动层)和尾部质量块。其中压电叠堆由压电陶瓷环5和匹配电极片6组成。两个压电叠堆完全相同，由8片压电陶瓷环与9片电极片堆叠粘接而成。每片压电陶瓷环5都沿厚度方向极化且相邻两片之间电学并联。尾部质量块由质量块一7、碟簧8和质量块二9共同组成。

复合棒天线的主要部件由中心向两端依次为磁致伸缩层3、过渡层4、驱动层、尾部质量块和固定螺母。各组件为半径相同高度，中心设置通孔的圆柱体，然后各部件沿轴向依次粘接堆叠，最后由预应力螺栓通过中心通孔进行装配并施加预应力，最终装配完成后的天线整体为三个维度上都完全对称的圆棒状。

参考图2，本实施方式中，各组件的具体几何尺寸可选择如下：由于天线整体基本成圆柱体，所以除预应力螺栓和碟簧外其他各组件均为半径相同高度不同的圆柱，且中心位置都设有一半径为4mm的通孔。其中磁致伸缩层长30mm、过渡层长5mm、两个压电堆各包含8片压电片和9片电极片，每层压电片厚2mm，电极片厚0.1mm，压电堆整体厚约17mm、质量块一厚3mm且在接触碟簧一侧留有固定碟簧的凹槽、尾部质量块二厚5mm。预应力螺栓中双头螺柱的半径为3.5mm，螺帽与碟簧选择相应的标准零件即可。

本实施方式中，复合棒磁电机械天线在工作时，通过压电堆驱动层5中的正负电极引出端向两边的压电堆提供交变电场，两个压电堆驱动层5将会同时发生纵向的伸缩振动。由于预应力螺栓的作用，压电堆驱动层5产生的驱动力将会最大程度的经过过渡层4传递到中间的磁致伸缩层3，磁致伸缩材料中的磁畴将会发生移动或翻转等，进而向外辐射电磁场。当交变电场的频率达到复合棒天线的一阶(或者二阶)纵振频率时，天线将会产生最大输出。同时天线工作过程中需要提供一定强度的直流偏置磁场，方向为沿天线轴向，大小由磁致伸缩层的材料所确定。

图3-4为本实施方式的COMSOL仿真结果，COMSOL模型经过必要简化，但是不影响模型求解的可信性。图3为复合棒天线的一阶纵振模态及其特征频率，图4为复合棒天线的二阶纵振模态及其特征频率。

实施案例2：

参考图5，为本发明提出的第二种实施方式。结合图1，实施方式一与实施方式二的区别在于尾部质量块二9的几何形状和尺寸，其尾部质量块二9的形状为喇叭形，其他相对应的各组件与实施方式一相同。本实施方式的主要目的是为了降低天线的谐振频率。其降频原理如下：

对于一个工作在一阶纵振模式的杆，位移分布函数表达为：

其中

将位移分布函数近似表达为

式中Δ表示自由端的位移幅度。利用集中质量法进行系统等效，此时变截面杆的等效质量可以写为：

对于等截面的杆，刚度为

考虑一个变截面杆，将其简化为无数个细小的等截面杆串联，根据串联弹簧刚度公式，系统的刚度可以写为：

因此，变截面杆的谐振频率ω可以表达为：

上式分子中

可以视为权重函数，杆中心处的质量对系统动能贡献为零，权重最小，而自由端的权重最大。考虑到这一点，增加杆自由端的截面积必然能有效增加上式分子中的动能，而分母中的权重函数可以看到1，对截面积分布并不敏感。

图6-7为实施方式二的COMSOL仿真结果，图6为复合棒磁电机械天线实施方式二的一阶纵振模态及其特征频率，图7为二阶纵振模态及其特征频率。结合图3-4，与实施方式一相比天线谐振频率由一阶时的15.741kHz降到10.246kHz，二阶时由42.046kHz下降到39.039kHz。仿真结果表明只需增加两个端质量块二9的质量就能够实现降频，基本实现了本实施方式的预期目标以及设计要求。

实施案例3：

参考图8，为本发明提出的第三种实施方式。结合图1，实施方式一与实施方式三的主要区别在于中间磁致伸缩层3的几何形状和尺寸，其尺寸直径小于过渡层4，但过渡层4、驱动层和质量块一7的直径相同。本实施方式的主要目的是实现磁致伸缩层中的应力放大和谐振频率降低，降频原理同实施案例2。此外，在本发明中对天线其他各组件也可选择其他不同尺寸和几何形状，并不是完全固定的。唯一确定的只是天线的结构组成——通过预应力螺栓栓接的质量块-压电堆-磁致伸缩层-压电堆-质量块的结构特点。

图9-10为实施方式三的COMSOL仿真结果，图9为复合棒磁电机械天线实施方式三的一阶纵振模态及其特征频率，图10为二阶纵振模态及其特征频率。结合图3-4与实施方式一相比，由于天线中间磁致伸缩层的质量变小，天线的一阶谐振频率下降到了13.804kHz，而二阶谐振频率基本没有变化。通过三个仿真结果可以发现天线谐振频率能够通过调整天线中各组件的质量占比、形状尺寸以及天线整体尺寸进行优化，对天线结构优化设计提供了一定指导。

本实施方式中，复合棒天线的整体结构完全对称，可分为四个主要部分：中间磁致伸缩层3、两端的三层复合体(过渡层4-压电叠堆驱动层-尾部质量块一7)、预应力螺栓。

根据复合棒天线的结构特点，本发明所述的复合棒天线的具体制备过程可概括如下：

一、天线结构设计与仿真验证；

二、材料加工、夹具准备；

三、压电叠堆驱动层的制备；

四、将过渡层4、尾部质量块与压电叠堆驱动层粘接复合；

五、将中间的磁致伸缩层3与两端的三层复合结构体粘接复合得到天线主体；

六、使用预应力螺栓(双头螺栓1)将碟簧8、两个尾部质量块二9以及上面得到的天线主体组装得到未施加预应力前的天线原型；

七、施加螺栓预应力，得到最终的复合棒天线原型。

步骤三中，压电叠堆驱动层的制备，具体操作为：

(1、)取8片厚度极化并标明正负极的压电陶瓷环5以及9片铜电极片6，超声清洗后置于真空干燥箱中烘干备用；

(2)、一次取一片电极片6和一片压电陶瓷环5，分别在其一侧涂覆厚度均匀的环氧树脂胶，然后逐层堆叠。

(3)、使用V-形夹具固定压电堆并在轴向通过重物施加压力，室温固化24小时。

(4)、第二个压电叠堆的制备过程与上述步骤完全相同。

步骤四中，将过渡层4、尾部质量块与压电叠堆驱动层粘接复合，具体操作为：

(1)、取加工完成的金属过渡层4、尾部质量块以及两片柔性绝缘膜超声清洗后烘干留用，柔性绝缘膜的作用是确保金属过渡层4与压电叠堆驱动层之间的绝缘连接。

(2)、在金属过渡层4、尾部质量块和压电叠堆驱动层上均匀涂敷环氧树脂，使用V-形夹具固定压电堆并在轴向通过重物施加压力，室温固化24小时。

步骤五中，将磁致伸缩层3与两侧的三层复合结构粘接复合得到天线主体，具体操作为：

(1)、取加工完成的磁致伸缩层3与上述两步得到的两个三层复合结构，将粘接面用酒精擦拭后置于真空干燥箱中烘干备用；

(2)、在磁致伸缩层3和两个三层复合结构的粘接面分别均匀涂覆环氧树脂，依次叠放在一起；

(3)、使用V-形夹具固定并在轴向通过重物施加压力，室温固化24小时。

步骤六中，复合棒天线的组装与预应力施加，具体操作为：

(1)、取制备完成的两个尾部质量块、一个双头螺柱1、两个垫片、四个碟簧8、四颗螺帽备用，其中垫片、螺柱、螺帽和碟簧8可使用标准件；

(2)、使用双头螺栓1，根据尾部质量块二9-碟簧8-天线主体-碟簧8-尾部质量块二9的顺序依次组装复合棒天线，然后在双头螺柱1两侧分别使用垫片和螺母固定。组装过程中应尽量保持天线各组件中心轴重合并在轴向上保持对称，防止螺柱与通孔内壁接触从而影响天线工作状态等。

(3)、将上一步得到的复合棒天线振子与施力夹具一起安装在桌面上。夹具分为完全相同的上下两部分，中心设置一个用于安装和定位天线的圆形卡槽，并设置四个通孔，然后通过四颗丝杆将夹具与天线一同固定于桌面上。四颗丝杆中两颗用于固定，另外两颗用于悬挂重物以施加预应力。

(4)、在用于悬挂重物的两颗丝杆上安装承重杆并在其上悬挂砝码，通过增减砝码质量来确定预应力大小。预应力施加原理是通过悬挂重物使得天线沿轴向收缩变形，这时只需将螺母适当拧紧，然后再去掉悬挂的重物即可，这时天线的预应力就已施加完成，拆除夹具后便得到最终的天线原型。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种复合棒式磁电机械天线，其特征在于：包括磁致伸缩层(3)、两个过渡层(4)、两组驱动层和两组尾部质量块，所述磁致伸缩层(3)位于中心位置，两侧由中心向两端依次为过渡层(4)、驱动层和尾部质量块，每组驱动层为多个压电陶瓷环(5)与多个电极片(6)交替堆叠而成，每组尾部质量块由质量块一(7)、碟簧(8)和质量块二(9)依次连接而成。

2.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层(3)设置于复合棒天线一阶纵振模态的节点位置。

3.根据权利要求2所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层(3)由软磁块材或者由软磁带材多层复合而成，软磁材料是Metglas、Fe-Ga合金、Terfernol-D合金、Fe-Ni合金、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体以及Ni金属中的一种。

4.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述过渡层(4)与磁致伸缩层(3)之间通过环氧树脂连接，所述过渡层(4)的材料为金属或合金。

5.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：每片压电陶瓷环(5)都沿厚度方向极化且相邻两片之间电学并联。

6.根据权利要求1或5所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述压电陶瓷环(5)的压电材料包括压电陶瓷和压电单晶，压电材料为LiNbO₃、BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃、Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃中的一种。

7.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层(3)、两个过渡层(4)、多个压电陶瓷环(5)、多个电极片(6)和质量块一(7)为半径相同，中心设置通孔的圆柱体，然后各部件沿轴向依次粘接堆叠，最后由预应力螺栓通过中心通孔进行装配并施加预应力，最终装配完成后的天线整体为三个维度上都完全对称的圆棒状。

8.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述尾部质量块二(9)的形状为圆柱形或者喇叭形。

9.根据权利要求1所述的复合棒式磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层(3)的直径小于过渡层(4)，但过渡层(4)、驱动层和质量块一(7)的直径相同。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的复合棒式磁电机械天线的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)、天线结构设计与仿真验证；

(2)、材料加工、夹具准备；

(3)、驱动层的制备；

(4)、将过渡层(4)、尾部质量块与驱动层粘接复合；

(5)、将中间的磁致伸缩层(3)与两端的复合结构体粘接复合得到天线主体；

(6)、使用预应力螺栓将碟簧(8)、两个尾部质量块二(9)以及天线主体组装得到未施加预应力前的天线原型；

(7)、施加螺栓预应力，得到最终的复合棒天线原型。

Images