CN116365212B - 磁电复合机械天线架构、架构分析方法及架构测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁电复合机械天线架构，包括沿预设方向依次设置的电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部；电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和驱动部，用于通过将驱动部提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能；机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部；压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能并对外辐射。本申请基于磁场在水中的衰减弱于电场的特性，将现有的磁电复合机械天线一般所采用的磁‑电天线架构改为电‑磁天线架构，通过电信号激励电致伸缩材料进而驱动压磁材料产生变化的磁场进行辐射，从而提升了磁电复合机械天线在水中的通信性能。

Description

磁电复合机械天线架构、架构分析方法及架构测试方法

技术领域

本发明涉及低频通讯技术领域，更具体地，涉及一种磁电复合机械天线架构、架构分析方法及架构测试方法。

背景技术

磁电复合机械天线是一种新型低频电磁发信技术，该技术有望突破传统电小天线的物理尺寸限制，有利于解决现有低频机械天线系统体积庞大、设备复杂、辐射效率低以及功耗大等问题，突破了旋转式机械天线的频带限制和驻极体式机械天线的应用环境限制，能够提高低频通信的机动性和灵活性，在水下、地下通信及导航定位等领域具有广泛的应用前景，已成为当前国内外相关领域的研究热点。

然而，现有的磁电复合机械天线存在如下的一些缺陷：一、现有的磁电复合机械天线一般采用磁场激励磁致伸缩材料，形成机械振动，再传导至压电材料，引起电场变化进而实现通信。由于电场在水中的衰减较大，此种天线的设计方式不利于信号在水中的传播。二、针对增强磁电复合机械天线的辐射场强的技术需求，现有的相关改进技术一般集中在材料领域，企图通过提升材料的导电或导磁性能来提升天线的辐射场强，其提升程度有限，且技术路径狭隘，技术发展受限。

发明内容

针对背景技术部分提及的现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提出了一种磁电复合机械天线架构、架构分析方法及架构测试方法，用以提升磁电复合机械天线在水中的通信性能，并拓展增强磁电复合机械天线的辐射场强的技术路径。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种磁电复合机械天线架构，包括沿预设方向依次设置的电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部；

所述电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和驱动部，用于通过将驱动部提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能；

所述机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部；

所述压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能并对外辐射。

进一步地，还包括动态定向磁场偏置模块；

所述动态定向磁场偏置模块，用于产生偏置磁场并施加于所述压磁部，通过改变所述压磁部内磁畴的偏转方向以增大所述压磁部的振动幅度。

进一步地，还包括固定约束模块；

所述压磁部的振动模式以反向振动磁偶极子模型进行设计；所述固定约束模块对所述压磁部进行垂直于压磁部振动方向的固定约束，以使所述压磁部的振动状态与所述反向振动磁偶极子模型的理论振动状态保持一致。

进一步地，所述偏置磁场为与所述驱动部提供的电能激励信号同频同相的偏置磁场。

进一步地，所述驱动部包括信息加载模块、驱动模块和电源模块；

所述信息加载模块，用于根据预设调制策略将输入的基带数据映射为所述压磁部的振动状态控制信号；

所述驱动模块，用于基于所述振动状态控制信号对所述电致伸缩材料本体施加动态电信号激励；

所述电源模块，用于为所述信息加载模块和驱动模块提供电功率。

进一步地，所述固定约束模块采用无磁性材料制成。

第二方面，本发明提供了一种磁电复合机械天线架构分析方法，包括：基于磁场在水中的衰减弱于电场，构建电致伸缩部-机械振动传导部-压磁部的磁电复合机械天线架构；

其中，所述电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和驱动部，用于通过将驱动部提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能；

所述机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部；

所述压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能并对外辐射。

进一步地，包括：

分析以获取磁矩与振动幅度呈正相关的第一分析结论；

基于所述第一分析结论，对压磁部施加偏置磁场，通过改变所述压磁部内磁畴的偏转方向以增大所述压磁部的振动幅度。

进一步地，包括：

分别获取磁单极子模型、同向振动磁偶极子模型和反向振动磁偶极子模型的磁矩表达式；

分析以获取磁极子的辐射取决于其磁矩对时间的二阶导数的第二分析结论；

基于所述第二分析结论，以及磁单极子模型、同向振动磁偶极子模型和反向振动磁偶极子模型的磁矩表达式，确认所述压磁部的振动模式以所述反向振动磁偶极子模型进行设计。

第三方面，本发明提供了一种磁电复合机械天线架构测试方法，包括：

使用电机驱动代替电致伸缩材料驱动，分别搭建单端振动磁偶极子模型第一测试对照组、同向振动磁偶极子模型第二测试对照组、反向振动磁偶极子模型第三测试对照组、添加动态偏置磁场的反向振动磁偶极子模型第四测试对照组和添加动态偏置磁场的反向振动空白模型第五测试对照组；

分别测量并获取第一至第五测试对照组振动时在相应固定点位处的磁振动信号幅值；

对比由上述五组测试对照组所分别获取的磁振动信号幅值，确认上述添加动态偏置磁场的反向振动磁偶极子模型第四测试对照组振动时所产生的磁场场强最大。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)现有的磁电复合机械天线一般采用磁场激励磁致伸缩材料，形成机械振动，再传导至压电材料，引起电场变化进而实现通信。由于电场在水中的衰减较大，因此此种天线的设计方式不利于信号在水中的传播。本发明基于磁场在水中的衰减弱于电场的特性，将现有的磁电复合机械天线一般所采用的磁-电天线架构改为电-磁天线架构，通过电信号激励电致伸缩材料进而驱动压磁材料产生变化的磁场进行辐射，从而提升了磁电复合机械天线在水中的通信性能。

(2)针对增强磁电复合机械天线的辐射场强的技术需求，现有的相关改进技术一般集中在材料领域，企图通过提升材料的导电或导磁性能来提升天线的辐射场强，其提升程度有限，且技术路径狭隘，技术发展受限。本发明通过设计新型的磁电复合机械天线架构，在压磁材料振动方向上添加外置的同频变化的偏置磁场，通过改变磁畴的偏转方向来增大压磁材料的振动幅度，进而提高了天线产生的磁场场强。本发明避免了常规的通过改进材料来提升天线的辐射场强的技术路径依赖，创造性地从天线本体的角度来提升辐射场强，从而拓展了增强磁电复合机械天线的辐射场强的技术路径，且可更大程度地提升磁电复合机械天线的辐射场强。

(3)目前对于磁电复合机械天线场强的理论推导集中在分析三类等效磁单/偶极子振动所产生的场强公式，未能将三类不同振动方向的磁单/偶极子与天线的实际架构相结合。本发明提出了以反向振动磁偶极子模型来设计压磁部的振动模式的新的设计思路，明确了压磁部的振动模式的设计原型，为后续的对磁电复合机械天线的进一步改进奠定了理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例和/或现有技术中所需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部分实施例，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为本发明实施例提供的一种新型的电-磁架构的磁电复合机械天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种新型的电-磁架构的磁电复合机械天线的结构原理图；

图3为本发明实施例提供的磁电复合机械天线的各种物理模型及等效运动模型；其中，图3(a)表示振动磁单极子；图3(b)表示同向振动磁偶极子；图3(c)表示反向振动磁偶极子；

图4为本发明实施例提供的磁电复合机械天线的固定约束及运动形式示意图；其中，图4(a)表示单端振动；图4(b)表示两端反向振动；

图5为本发明实施例提供的由磁矩计算磁场强度的计算标示图；

图6为本发明实施例提供的远场某点磁场强度与磁体长度、振动幅度的关系标示图；

图7为本发明实施例提供的一种包括动态定向磁场偏置模块和固定约束模块的新型的电-磁架构的磁电复合机械天线的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的压磁材料的振动过程的微观显示图；其中，图8左图表示压磁材料对外不显磁性的平衡状态；图8中图表示压磁材料受外加磁场影响后的剩磁状态或偏置状态；图8右图表示压磁材料的形变引起导磁系数的变化；

图9为本发明实施例提供的定向动态偏置磁场对压磁材料极性偏转的影响示意图；

图10为本发明实施例提供的一种磁电复合机械天线架构测试的发信端原理图；

图11为本发明实施例提供的一种磁电复合机械天线架构测试的接收端原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细地说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请的说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序的。此外，术语“包括”或“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备并没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

现有的磁电复合机械天线一般采用磁场激励磁致伸缩材料，形成机械振动，再传导至压电材料，引起电场变化进而实现通信。由于电场在水中的衰减较大，因此此种天线的设计方式不利于信号在水中的传播。本发明基于磁场在水中的衰减弱于电场的特性(在水下通信中，磁场的穿透力强于电场)，将现有的磁电复合机械天线一般所采用的磁-电天线架构改为电-磁天线架构，通过电信号激励电致伸缩材料进而驱动压磁材料产生变化的磁场进行辐射，从而提升了磁电复合机械天线在水中的通信性能。

参考图1和图2，在一个实施例中，本发明所提出的这种电-磁架构的磁电复合机械天线是由电致伸缩材料和压磁材料按照一定的方式复合而成的新型磁电复合机械天线，能够实现电能、机械能和磁能的依次转换。在电致伸缩材料中，存在将电能转换为机械能的电致伸缩效应；在压磁材料中，存在将机械能转换为磁能的压磁效应；机械振动传导材料，仅用于衔接电致伸缩材料和压磁材料、传导机械波，其具有一定的耦合系数。压磁材料为该磁电复合机械天线中最关键的“辐射体”；电致伸缩材料和机械振动传导材料仅为驱动。该磁电复合机械天线基于机械波在电场和磁场之间进行能量传导，凭借这种特殊的多物理场能量转换的方式，其相较于传统的电磁天线，具有明显的小型化优势。例如，在甚低频频段，传统的电磁天线需要大于1km的占地面积，而磁电复合机械天线能够仅在厘米数量级进行设计。除了小型化的优势外，磁电复合机械天线具有高Q值、高辐射效率和低能耗等诸多优点。

振动永磁式机械天线对应的物理模型为振动磁单/偶极子。根据磁单/偶极子的运动形式，可将磁电复合机械天线的物理模型分为三类，分别为振动磁单极子、同向振动磁偶极子和反向振动磁偶极子。磁电复合机械天线的物理模型及等效运动(振动)模型如图3所示。

假设永磁体磁荷为Q，振动角频率为ω，振幅为l，Z方向单位矢量

在磁单极子模型中，假设永磁体磁荷Q围绕原点O在Z轴作简谐运动，其磁矩可表示为：

在同向振动磁偶极子模型和反向振动磁偶极子模型中，假设永磁体携带异种等量磁荷，在Z轴作简谐运动，其磁矩可分别表示为：

根据磁矩的定义，可得磁电复合机械天线的磁矢位如下式所示：

其中μ为相对磁导率，c为光速，(/>至/>统一表示为/>)为磁电复合机械天线的磁矩，/>为球坐标系中沿r方向的单位矢量。

根据磁矢位可推导磁感应强度的远场表达式为：

进一步可推导得到电场的远场表达式：

从上述式(2)和式(3)可以看出，运动磁极子的辐射取决于其磁矩对时间的二阶导数，如果磁电复合机械天线的磁矩恒定(同向振动磁偶极子模型的磁矩为其是与时间无关的恒定值)，则不产生辐射。又因为磁单极子仅在理论上存在，在现实中并不存在，因此，磁电复合机械天线只能基于反向振动磁偶极子模型进行设计。如图4所示，在工程实践中，磁电复合机械天线的固定约束位置应施加在振动方向的中心位置或端部，形变方向及范围应施加在无固定约束的端部。在实际的运动形式中，单端振动和两端反向振动运动形式的基础物理模型均应该为反向振动磁偶极子。

参考图5，由磁矩可以计算空间某点C(x,y,z)的磁极强度，进而得到该点的磁场强度。

设磁极强度为p，磁矩大小为m，l₀为磁体原长度，l为磁体单端振动幅度，ω为磁体振动角频率。式(4)为由磁矩求磁极强度的计算公式。

式(5)为由磁极强度计算磁场强度的公式。

设R＝OC，L＝l₀+2lcosωt，R与X轴之间的夹角为θ，根据三角公式可得：

即:

同理可得：

因为x＝Rcosθ，y＝Rsinθ。所以有：

将式(9)和式(10)代入式(5)可得：

在远场中，因R远大于L,所以可得磁场强度的表达式为：

综上所述，空间各点磁场强度与磁体长度、振动幅度的关系，如图6所示。图6中，在远场D点，L越大，磁场强度越大(由式(12)可知，在远场，夹角变化已经不大，可以忽略，影响磁场强度大小的只有距离R和磁矩m，磁矩越大磁场就越大，而L越大磁矩就越大，进而可以推出在远场处，L越大，磁场强度就越大)。在磁电复合机械天线的总辐射场中，磁场强度与磁体长度、振动幅度无直接正比关系；但是磁矩与磁体长度、振动幅度呈正相关。所以明确磁体长度、振动幅度在磁场强度和磁矩表达式中的作用对于磁电复合机械天线的远场应用有着重要意义。

基于前述图1所示的新型磁电复合机械天线的基本架构，结合图4所示的固定约束条件，在一个实施例中提出一种包括偏置磁场的磁电复合机械天线的新型架构。如图7所示，该进一步改进的磁电复合机械天线的新型架构中包括了电源模块、信息加载模块、驱动模块、天线、固定约束模块和动态定向磁场偏置模块。

其中,电源模块向信息加载模块和驱动模块提供所需的电功率。信息加载模块根据一定的调制策略将输入的基带数据映射为辐射源的运动状态控制信号。驱动模块基于运动状态控制信号实现对辐射源施加动态电信号激励。

磁畴是铁磁材料内部的小型磁化区域，内部所有磁偶极子定向排列。因为材料内磁畴的磁化方向各不相同，所以铁磁体在宏观上不显磁性。但在实际应用中，铁磁体受磁场影响后，铁磁体在一定时长内不会回归到平衡状态，而是处于剩磁状态，对外显磁性。而对处于剩磁状态的铁磁体施加应力或应变，可引起铁磁体整体磁矩的变化，进而产生时变电磁场。如图8所示，压磁材料在振动时，对应的振动幅度、磁矩大小与理论值有一定偏差。在实际天线工作时，可以施加偏置磁场(图7所示的动态定向磁场偏置模块提供)，使压磁相对外显示的磁性增强，与激励信号同频同相的偏置磁场可通过即时改变磁畴状态，增加压磁材料的振动幅度。定向动态偏置磁场对压磁材料极性偏转的影响如图9所示。理论上，磁畴的完全偏转，可以使压磁材料的振动幅度由l提升至通过添加动态偏置磁场的方法，可以将压磁材料在振动时的磁矩实际值尽量接近理论值。

在实际应用中，如果不加对应的固定约束模块，天线的振动模式为：同向振动和反向振动的叠加，对最终的辐射不利。因此，在反向振动磁偶极子模型的基础上，磁电复合机械天线的新型架构可进一步添加固定约束模块，该固定约束模块根据单端振动或两端反向振动等不同的运动形式，对压磁材料进行了中部或底部的固定约束，使得磁电复合机械天线的运动(振动)状态与反向振动磁偶极子模型的理论运动(振动)状态保持一致。

固定约束模块可采用亚克力、橡胶等无磁性材料，在起到固定作用的同时，将压磁材料的运动形式限制于反向振动磁偶极子模型的理论运动状态。

为进一步提高磁电复合机械天线的辐射功率，其辐射源还可采用多个天线构成的磁偶极子阵列，并结合相应控制技术，以增强时变磁场。

因为磁电复合机械天线的辐射体只有压磁材料，电致伸缩材料和振动传导材料仅起到驱动的作用，为简化实验步骤，可使用电机驱动来代替电致伸缩材料驱动，在前期测试中省去了制作磁电复合机械天线的复杂过程。

基于图10所示的磁电复合机械天线的三种等效运动模型制作测试样机，通过设置对照实验，确定磁电复合机械天线的最佳等效运动模型。实验共设置5组待测试天线，a组天线为单端振动磁偶极子，b组天线为同向振动磁偶极子，c组天线为反向振动磁偶极子，d组天线为添加动态偏置磁场的反向振动磁偶极子，e组为添加动态偏置磁场的反向振动空白模型。a、b、c和d四组辐射源均选用同种等长的压磁材料，e组辐射源选用同长的亚克力。图10为磁电复合机械天线的对照实验发信端原理图，图11为磁电复合机械天线的对照实验接收端原理图，参考图10和图11，在一个实施例中，一种磁电复合机械天线架构的架构测试方法，主要可以包括以下几个步骤：

步骤1、搭建单端振动磁偶极子模型测试样机，使用磁传感器测量其振动时在固定点位处的接收信号幅值。

步骤2、搭建同向振动磁偶极子模型测试样机，使用磁传感器测量其振动时在固定点位处的接收信号幅值。

步骤3、搭建反向振动磁偶极子模型测试样机，使用磁传感器测量其振动时在固定点位处的接收信号幅值。

步骤4、搭建添加动态偏置磁场的反向振动磁偶极子模型测试样机，使用磁传感器测量其振动时在固定点位处的接收信号幅值。

步骤5、搭建添加动态偏置磁场的反向振动空白对照组，使用磁传感器测量其振动时在固定点位处的接收信号幅值。用于测量偏置磁场对测量点处的磁场场强影响的大小。

步骤6、对比上述五组所测出的接收信号幅值，验证上述添加偏置磁场的反向振动磁偶极子产生磁场场强最大的理论。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁电复合机械天线架构，其特征在于，包括沿预设方向依次设置的电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部；

所述电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和驱动部，用于通过将驱动部提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能；

所述机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部；

所述压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能并对外辐射；

还包括动态定向磁场偏置模块；

所述动态定向磁场偏置模块，用于产生偏置磁场并施加于所述压磁部，通过改变所述压磁部内磁畴的偏转方向以增大所述压磁部的振动幅度。

2.如权利要求1所述的磁电复合机械天线架构，其特征在于，还包括固定约束模块；

所述压磁部的振动模式以反向振动磁偶极子模型进行设计；所述固定约束模块对所述压磁部进行垂直于压磁部振动方向的固定约束，以使所述压磁部的振动状态与所述反向振动磁偶极子模型的理论振动状态保持一致。

3.如权利要求1所述的磁电复合机械天线架构，其特征在于，所述偏置磁场为与所述驱动部提供的电能激励信号同频同相的偏置磁场。

4.如权利要求1或3所述的磁电复合机械天线架构，其特征在于，所述驱动部包括信息加载模块、驱动模块和电源模块；

所述信息加载模块，用于根据预设调制策略将输入的基带数据映射为所述压磁部的振动状态控制信号；

所述驱动模块，用于基于所述振动状态控制信号对所述电致伸缩材料本体施加动态电信号激励；

所述电源模块，用于为所述信息加载模块和驱动模块提供电功率。

5.如权利要求2所述的磁电复合机械天线架构，其特征在于，所述固定约束模块采用无磁性材料制成。

6.一种磁电复合机械天线架构分析方法，其特征在于，包括：基于磁场在水中的衰减弱于电场，构建电致伸缩部-机械振动传导部-压磁部的磁电复合机械天线架构；

其中，所述电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和驱动部，用于通过将驱动部提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能；

所述机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部；

所述压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能并对外辐射；

分析以获取磁矩与振动幅度呈正相关的第一分析结论；

基于所述第一分析结论，对压磁部施加偏置磁场，通过改变所述压磁部内磁畴的偏转方向以增大所述压磁部的振动幅度。

7.如权利要求6所述的磁电复合机械天线架构分析方法，其特征在于，包括：

分别获取磁单极子模型、同向振动磁偶极子模型和反向振动磁偶极子模型的磁矩表达式；

分析以获取磁极子的辐射取决于其磁矩对时间的二阶导数的第二分析结论；

基于所述第二分析结论，以及磁单极子模型、同向振动磁偶极子模型和反向振动磁偶极子模型的磁矩表达式，确认所述压磁部的振动模式以所述反向振动磁偶极子模型进行设计。