CN116487866B - 一种面向超低频通信系统的磁电机械天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向超低频通信系统的磁电机械天线及其制备方法。所述磁电机械天线包括磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层、金属支架；所述磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层通过环氧树脂胶粘合形成磁电复合体。本发明的磁电机械天线利用弯曲谐振模式进行机械振动，在实现超低频谐振的同时缩小自身的体积尺寸，能够有效地对300Hz以下的电磁信号进行收发调制，在对潜对地低频通信中具有巨大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于通信天线技术领域，涉及一种面向超低频通信系统的磁电机械天线及其制备方法。
背景技术
在水下及地下等高电导率区域中，以射频电磁波(300kHz-300 GHz)为信号传输媒介的通讯技术通常面临着高路径损耗及多径效应的问题，而超低频段电磁波(30-300Hz)则拥有低衰减高穿透的优势，因此在对潜对地通信系统应用中，超低频天线一直是人们关注的热点。然而依赖于电流谐振的传统天线的自身尺寸大小与电磁波波长成正相关，导致以往的超低频天线通常占地数公顷且需要消耗巨大的能量。
近些年来，由声波驱动的磁电机械天线通过形成动态磁矩进而产生电磁辐射，这种新原理天线的尺寸与体声波波长相关，而非电磁波波长，因此在低功耗、小型化的低频天线技术领域有着非常可观的应用前景。然而目前绝大部分磁电机械天线都工作在甚低频段(3-30kHz)，而超低频段的磁电机械天线则鲜有报道，因此超低频磁电天线技术的有效通信问题急需解决。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种面向超低频通信系统的磁电机械天线及其制备方法。本发明所述的磁电天线通过采用弯曲谐振模式的机械振动方式，有望解决现阶段超低频磁电天线尺寸较大、辐射强度较低等问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下解决方案：
作为一种优选的实施方式，提供一种面向超低频通信系统的磁电机械天线，包括磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层，所述磁致伸缩层位于高Q值钢片层正上方，其两端长度与高Q值钢片层保持一致，磁致伸缩层包括两块长方体型磁致伸缩材料，每块磁致伸缩材料具有相同的物理尺寸，且位于同一平面上，两块磁致伸缩材料的长边与高Q值钢片层长度方向平行，且关于高Q值钢片层的中心成对称式分布；所述压电层位于高Q值钢片层正下方；所述磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层通过环氧树脂胶经过粘接形成磁电异质复合体。
进一步地，所述磁电机械天线还包括金属支架，所述金属支架位于磁电异质复合体中心正下方，并通过十字螺丝螺母与高Q值钢片层固定连接。
进一步地，导线通过锡焊的方式分别与压电层上下表面连接。
进一步地，所述磁致伸缩层使用的材料Terfenol-D合金、Fe-Ga合金、FeCoB或非晶软磁带材Metglas其中的一种。
进一步地，所述磁致伸缩层的材料沿长度方向磁化。
进一步地，所述高Q值钢片层为具有良好力学性能的合金弹簧钢70号钢、65Mn钢、硅锰弹簧钢、铬钒钢其中的一种。
进一步地，所述压电层使用的材料为压电陶瓷锆钛酸铅基材料PZT-4、PZT-5、PZT-5H、PZT-8、压电单晶铌镁酸铅基材料PMN-PT、压电单晶铌锌酸铅基材料PZN-PT中的一种。
进一步地，所述压电层的材料沿厚度方向极化。
一种上述面向超低频通信系统的磁电机械天线制备方法，包括如下步骤：
(1)按比例配置环氧树脂胶；
(2)在高Q值钢片层的上下两面分别均匀涂抹配置好的环氧树脂胶；
(3)将磁致伸缩层和压电层分别粘接到高Q值钢片层的上下两面；
(4)将粘接的复合结构放入真空箱中抽取真空，以去除环氧树脂胶内部的气泡，降低能量传递损耗；
(5)在压电层的上下表面通过锡焊的方式各引出一根导线，得到磁电异质复合体；
(6)用十字螺丝螺母将磁电异质复合体固定在金属支架上；
(7)得到面向超低频通信系统的磁电机械天线。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明所述磁电机械天线，相较于普通磁电机械天线，能实现300Hz以下电磁信号收发与调制，解决超低频有效通信问题。
2、本发明所述磁电机械天线采用基于弯曲谐振模式的机械振动方式，天线最大尺寸可控制在10cm以内。
3、本发明所述磁电机械天线使用高Q值弹簧钢片层来提高磁电耦合效应，具有更高的辐射能力。
附图说明
图1是本发明所述的磁电复合体结构示意图。
图2是本发明实施例1的结构示意图.
图3是图2所示天线结构中高Q值钢片层示意图。
图4是图2所示天线结构中金属支架示意图。
图5是图2所示天线的阻抗测试图。
图6是使用图2所示天线的超低频通信系统的基本框架图。
图7是图2所示天线在谐振频率处的时域接收波形。
图8是图2所示天线在谐振频率处的AM调制收发信号波形。
其中：1、磁致伸缩层；2、高Q值钢片层；3、压电层；4、金属支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。
实施例1
如图2所示，本发明提供的面向超低频通信系统的磁电机械天线，包括磁致伸缩层1，高Q值钢片层2，压电层3，金属支架4，所述磁致伸缩层1设置在高Q值钢片层2的上侧，所述压电层3设置在高Q值钢片层2的下侧，所述磁致伸缩层1、高Q值钢片层2、压电层3通过环氧树脂胶粘接形成磁电复合体，该磁电复合体的各层具有统一的宽度，高Q值压电层2通过十字螺丝螺母与金属支架4固定连接，两根导线通过焊接的方式分别与压电层3上下表面连接。
所述磁致伸缩层1两端长度与高Q值钢片层2保持一致，其包含两块沿长度方向磁化长方体型磁致伸缩材料，磁致伸缩材料可以是Terfenol-D合金、Fe-Ga合金、FeCoB或非晶软磁带材Metglas其中的一种，作为一种优选的实施方式，这里使用Terfenol-D合金,每块磁致伸缩材料具有完全相同的三维尺寸，且位于同一平面上，两块磁致伸缩材料的长边与高Q值钢片层2长度方向平行，且关于高Q值钢片层2的中心成对称式分布。
所述高Q值钢片层2采用具有良好弹性力学性能的合金弹簧钢70号钢、65Mn钢、硅锰弹簧钢、铬钒钢其中的一种，作为一种优选的实施方式，这里使用65Mn钢，高Q值钢片层2中心应预先打方形通孔2.1，以供导线无障碍通过，且中间两枝节处应打圆孔2.2，以供十字螺丝通过，高Q值钢片层2在为天线整体结构提供机械支撑同时能提高天线的整体机械Q值，起到增强辐射能力的作用。
所述压电层3采用压电陶瓷锆钛酸铅基材料PZT-4、PZT-5、PZT-5H、PZT-8、压电单晶铌镁酸铅基材料PMN-PT、压电单晶铌锌酸铅基材料PZN-PT中的一种，作为一种优选的实施方式，这里采用沿厚度方向极化的PZT-5H，为降低制备成本，压电层3的长度可以小于高Q值钢片层2的长度，但为保证良好的辐射性能，压电层3长度不应小于高Q值钢片层2长度的3/4。
所述金属支架4包含两金属支撑臂4.1、圆形通孔4.2、金属支撑底座4.3，金属支架4使用金属材料铝、铜、铁等常见易加工材料的一种，作为一种优选的实施方式，这里使用铝，金属支撑臂4.1与金属支撑底座4.3通过焊接的方式牢固连接，使用十字螺丝可将高Q值钢片层2与金属支架4连接，为天线提供机械支撑，十字螺丝可无障碍通过高Q值钢片层的圆形通孔2.2与金属支撑臂4.1上的圆形通孔4.2。
所述一种面向超低频通信系统的磁电机械天线的制备方法为：
(1)将West System的105环氧树脂与205固化剂按照5：1的比例进行配比，搅拌均匀后静置1分钟，等待部分空气泡消失；
(2)用细毛小软刷蘸取环氧树脂胶，均匀地涂抹在高Q值钢片层2的上下表面；
(3)将两块磁致伸缩材料关于高Q值钢片层2中心对称地粘接到其上表面，并保持长度方向与宽度方向的整齐划一；
(4)将压电层3粘接到高Q值钢片层2下表面，并保持宽度方向的整齐划一；
(5)将得到的复合体放入真空干燥箱中，用无磁性重物对其施加垂直方向压力，在60℃、-95kPa的环境下静置12小时；
(6)取出粘接好的磁电复合体，用小刀刮去多余硬化的环氧树脂胶；
(7)采用挂锡焊接法从压电层3的上下表面各引出一条导线，其中靠近高Q值钢片层2的导线可穿过其预先打的方形通孔引出；
(8)待焊接点完全固化后，得到超低频磁电机械天线样机。
图5给出了图2所示天线的阻抗测试图，阻抗幅值与阻抗相角的结果表明，该天线的谐振频率为196Hz，反谐振频率为201Hz，工作在30-300Hz的超低频频段。
图6给出了使用图2所示天线的超低频通信系统的基本框架图，在发射端，信号发生器产生200Hz附近的正弦信号，通过功率放大器后施加在磁电发射天线上进行发射，在接收端，磁电接收天线接收空间中的电磁波后产生感应电压，通过锁相放大器后在示波器上展示接收波形。
图7给出了图2所示天线在谐振频率处的时域接收波形，完整的光滑的正弦波形表明磁电天线可以进行超低频信号的收发。
图8给出了图2所示天线在谐振频率处的AM调制收发信号波形，从图中可以看出，磁电发射天线可以完整的发射出以方波为基带信号，以正弦波为载波的AM调制波，同时磁电接收天线可以对该调制波进行接收，并有明显地高低电平起伏，通过解调后可以输出基带信号，从而实现超低频通信。
以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选具体实施方式，不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：包括磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层和金属支架；所述磁致伸缩层位于高Q值钢片层正上方，其两端长度与高Q值钢片层保持一致，磁致伸缩层包括两块长方体型磁致伸缩材料，每块磁致伸缩材料具有相同的物理尺寸，且位于同一平面上，两块磁致伸缩材料的长边与高Q值钢片层长度方向平行，且关于高Q值钢片层的中心成对称式分布；所述高Q值钢片层(2)中心应预先打方形通孔(2.1)，以供导线无障碍通过，且中间两枝节处应打圆孔(2.2)，以供十字螺丝通过；所述压电层位于高Q值钢片层正下方；所述磁致伸缩层、高Q值钢片层、压电层通过环氧树脂胶经过粘接形成磁电异质复合体；所述金属支架位于磁电异质复合体中心正下方，并通过十字螺丝螺母与高Q值钢片层固定连接，金属支架(4)包含两金属支撑臂(4.1)、圆形通孔(4.2)、金属支撑底座(4.3)，金属支撑臂(4.1)与金属支撑底座(4.3)通过焊接的方式牢固连接，使用十字螺丝可将高Q值钢片层(2)与金属支架(4)连接，为天线提供机械支撑，十字螺丝可无障碍通过高Q值钢片层的圆形通孔(2.2)与金属支撑臂(4.1)上的圆形通孔(4.2)。
2.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述压电层的上下表面通过锡焊的方式分别引出一根导线。
3.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层使用的材料为Terfenol-D合金、Fe-Ga合金、FeCoB或非晶软磁带材Metglas其中的一种。
4.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述磁致伸缩层的材料沿长度方向磁化。
5.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述高Q值钢片层为具有良好力学性能的合金弹簧钢70号钢、65Mn钢、硅锰弹簧钢、铬钒钢其中的一种。
6.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述压电层使用的材料为压电陶瓷锆钛酸铅基材料PZT-4、PZT-5、PZT-5H、PZT-8、压电单晶铌镁酸铅基材料PMN-PT、压电单晶铌锌酸铅基材料PZN-PT中的一种。
7.根据权利要求1所述面向超低频通信系统的磁电机械天线，其特征在于：所述压电层的材料沿厚度方向极化。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的面向超低频通信系统的磁电机械天线制备方法，其特征在于：所述制备方法具体包括如下步骤：
(1)按比例配置环氧树脂胶；
(2)在高Q值钢片层的上下两面分别均匀涂抹配置好的环氧树脂胶；
(3)将磁致伸缩层和压电层分别粘接到高Q值钢片层的上下两面；
(4)将粘接的复合结构放入真空箱中抽取真空，以去除环氧树脂胶内部的气泡，降低能量传递损耗；
(5)在压电层的上下表面通过锡焊的方式各引出一根导线，得到磁电异质复合体；
(6)用十字螺丝螺母将磁电异质复合体固定在金属支架上；
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2023
- 2023-05-06 CN CN202310505364.4A patent/CN116487866B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116487866A (zh) | 2023-07-25 |
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