CN116799485A - 一种超低频天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超低频天线系统，包括金属基板，两端沿一直线方向延伸；夹具，夹住金属基板的其中一端并用于固定金属基板；驱动部，设置在金属基板上并沿金属基板延伸；永磁体，设置在金属基板远离夹具的一端并与驱动部之间留有间隔；其中，驱动部为压电纤维复合材料制成，驱动部能够在外部交变电场作用下产生正应变，并带动金属基板发生简谐振动；永磁体随金属基板发生简谐振动并向外辐射电磁波；通过交变电源驱使压电纤维复合材料制成的驱动部发生正应变，带动金属基板及其上的永磁体进行简谐振动，永磁体简谐振动产生电磁波信号，从而使机械天线的电磁波发射频率与压电驱动频率相同，该频率及强度能够通过各部件参数进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及机械天线系统技术领域，尤其涉及一种超低频天线系统。
背景技术
无线电磁频谱频率根据国际标准可以分为：超低频(30-300Hz)、甚低频(3kHz-30KHz)以及低频(30kHz-300kHz)等。低频电磁波在海水、地下、电离层和人体内部等环境的传播有着极低的衰减率，并且由于其具有传播距离远，穿透深度大的优势，可以用于透地和水下等复杂条件下的通信。传统的电天线依赖于电磁波谐振，尺寸通常为波长的十分之一，辐射效率低。同时低频电天线建设占地面积大，不便于落地铺设。因此在不牺牲天线性能的前提下，利用新的电磁波辐射机制将天线小型化至关重要。
机械天线是通过机械能驱动电偶极子或者磁偶极子，做周期性振动或者往复性运动，产生电磁辐射的一种新型方式。即对驻极体注入电荷或者对永磁体充磁，通过外部机械运动驱动驻极体或者永磁体发生周期式振动，会产生相应振动频率的电磁场，从而对外辐射电磁波。按特定速率旋转或者反复移动永磁体和驻极体都会在周边产生对应频率的电磁信号。
现有的机械天线方案有磁电天线，压电天线、旋转永磁体和旋转驻极体。磁电天线是通过激励压电陶瓷产生周期性振动，使磁致伸缩材料发生周期振荡，磁偶极矩发生周期性翻转，从而达到辐射电磁波的作用。该方案的缺陷在于工作频率高，主要集中在甚低频范围，无法覆盖超低频段范围。压电天线是对压电陶瓷施加交变电场，是压电陶瓷内部电偶极子发生周期性振荡，从而达到辐射电磁波的作用。该方案的缺陷在于工作频率太高，工作频段大于kHz，无法覆盖超低频段范围。旋转永磁体和驻极体的问题在于工作频率由电机旋转转速决定，并且电机发热严重，转动惯性大，加载信号难等缺陷。因此，现有的机械天线方案对于稳定产生超低频率磁信号均存在相当的难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种超低频天线系统，用于解决现有的机械天线方案对于稳定产生超低频率磁信号均存在相当的难度的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种超低频天线系统，包括金属基板，两端沿一直线方向延伸；夹具，夹住金属基板的其中一端并用于固定金属基板；驱动部，设置在金属基板上并沿金属基板延伸；至少一个永磁体，设置在金属基板远离夹具的一端并与驱动部之间留有间隔；其中，驱动部为压电纤维复合材料制成，驱动部能够在外部交变电场作用下产生正应变，并带动金属基板发生简谐振动；永磁体随金属基板发生简谐振动并向外辐射电磁波。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括交变电源，具有正极和负极；其中，交变电源的正极电性连接驱动部，交变电源的负极电性连接金属基板。
更进一步优选的，交变电源的交变电压为200-1400V。
在以上技术方案的基础上，优选的，若干永磁体沿金属基板表面的垂直方向层叠设置在金属基板上。
更进一步优选的，设置在金属基板上的永磁体的总质量为2.5-12.5g。
在以上技术方案的基础上，优选的，金属基板延伸方向的长度为110-230mm。
更进一步优选的，驱动部朝向永磁体的端部与永磁体的间隔距离为0-120mm。
更进一步优选的，永磁体沿金属基板延伸方向长度不大于驱动部沿金属基板延伸方向长度的十分之一。
在以上技术方案的基础上，优选的，驱动部沿金属基板表面垂直方向的厚度为0.25-3mm。
在以上技术方案的基础上，优选的，金属基板延伸方向的宽度大于驱动部沿金属基板延伸方向的宽度。
本发明的一种超低频天线系统相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明通过交变电源驱使压电纤维复合材料制成的驱动部发生正应变，带动金属基板及其上的永磁体进行简谐振动，永磁体简谐振动产生电磁波信号，从而使机械天线的电磁波发射频率与压电驱动频率相同，且该频率及强度能够通过各部件参数进行调节。
(2)本发明能够通过调整驱动部的厚度来调整永磁体的简谐振动幅度，进而调节永磁体产生电磁波的发射频率。
(3)本发明能够通过调整永磁体的总质量来调整永磁体的简谐振动幅度，进而调节永磁体产生电磁波的发射频率。
(4)本发明能够通过调整金属基板的长度或宽度来调整永磁体的简谐振动幅度，进而调节永磁体产生电磁波的发射频率。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的天线系统的主视结构示意图；
图2为本发明的天线系统的俯视结构示意图；
图3为本发明的天线系统的一阶振型模态图；
图4为本发明的天线系统的二阶振型模态图；
图5为本发明的天线系统的基于不同金属基板宽度的振动位移曲线图；
图6为本发明的天线系统的基于不同金属基板长度的振动位移曲线图；
图7为本发明的天线系统的基于不同交变电源激励电压的振动位移曲线图；
图8为本发明的天线系统的基于不同永磁体质量的振动位移曲线图；
图9为本发明的天线系统的基于不同驱动部厚度的振动位移曲线图；
图10为本发明的天线系统的不同实施例的磁感应强度与交变电源激励电压的关系图。
图中：1、金属基板；2、夹具；3、驱动部；4、永磁体；5、交变电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，结合图2、图3和图4，本发明的一种超低频天线系统，包括金属基板1、夹具2、驱动部3、永磁体4及交变电源5。
其中，金属基板1两端沿一直线方向延伸。金属基板1的材质通常为铝材质，但也可以是其他具有简谐振动能力的金属材质；金属基板1的厚度为1mm，其长宽可根据需要进行调整，宽度为20-40mm，长度为110-230mm。
夹具2夹住金属基板1的其中一端并用于固定金属基板1。夹具2是安装在天线系统的设备主体上的，其主要作用就是安装金属基板1，同时有不能影响金属基板1进行简谐振动，因此夹具2夹在金属基板1的端部上。
驱动部3设置在金属基板1上并沿金属基板1延伸。驱动部3为压电纤维复合材料制成的薄片，压电纤维复合材料为压电陶瓷，通常为锆钛酸铅陶瓷，具体来说可以采用武汉理工大学的中国专利CN201510907240.4公开的一种压电纤维复合结构层。驱动部3的厚度可根据需要进行调整，其厚度为0.25-3mm，宽度为20mm，长度为100mm，通过环氧树脂粘贴在金属基板1上，使金属基板1与驱动部3共同组成一个压电悬臂梁。驱动部3能够在外部交变电场作用下产生正应变，并带动金属基板1发生简谐振动。
至少一个永磁体4设置在金属基板1远离夹具2的一端并与驱动部3之间留有间隔。永磁体4为钕铁硼材料制成，通过环氧树脂粘贴在金属基板1的端部上。单个永磁体4块体的尺寸通常为标准尺寸，其长度为1cm，宽度为1cm，厚度为5mm，单个质量为2.5g。能够根据需要通过调整永磁体4的数量来调整压电悬臂梁上的永磁体4的总质量，其总质量为2.5-12.5g。永磁体4随金属基板1发生简谐振动并向外辐射电磁波。
交变电源5具有正极和负极。交变电源5的正极电性连接驱动部3，交变电源5的负极电性连接金属基板1。采用交变电源5是因为需要向驱动部3施加交变电场，使驱动部3的压电纤维复合材料发生正应变。通过交变电源5对驱动部3施加的交变电压为200-1400V，通常会在金属基板1上设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz；同时，能够在距离压电悬臂梁永磁体端1m处，采用磁通量传感器检测磁场的磁感应强度为0.9-2.6μT。
采用上述技术方案时，当通过交变电源5对驱动部3施加交变电压时，由于逆压电效应，压电纤维复合材料制成的驱动部3会发生正应变；又由于驱动部3与金属基板1通过强弹性模量的环氧树脂粘接，因此驱动部3发生正应变会对金属基板1施加作用力，从而驱动金属基板1与驱动部3组成的整个压电悬臂梁发生简谐振动，进而带动粘贴在金属基板1远端的永磁体4同步发生简谐振动，永磁体4同时向外辐射电磁波，此时该电磁波的频率与金属基板1的振动频率相同。
在本实施例的具体实施中，驱动部3的厚度为0.25mm，宽度为20mm，长度为100mm；选择1块永磁体4，因此永磁体4的总质量为2.5g；金属基板1厚度为1mm，宽度为20mm，长度为110mm；交变电源5对驱动部3施加的交变电压为1000V。在此条件下，在金属基板1设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测该永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz，最大振动幅度为22mm。
实施例二
在实施例一中已经阐述，能够根据需要调整金属基板1的宽度，从而调整永磁体4的简谐振动频率。
其中，金属基板1延伸方向的宽度大于驱动部3沿金属基板1延伸方向的宽度，夹具2夹在金属基板1延伸方向其中一端的端部上。驱动部3及永磁体4均位于金属基板1的中央。需要说明的是，夹具2应当夹住整个金属基板1的端部，即夹具2的宽度不小于金属基板1的宽度；如果夹具2的宽度过小，金属基板1的简谐振动频率会发生新的变化。
根据图5可知，金属基板1在受到夹具2夹持的条件下，金属基板1在300Hz内会发生两种模态的弯曲振动：一阶振型应力分布集中，能产生大的振动幅度，振动频率集中在100Hz以下；二阶振型应力分布不集中，产生的振幅低于一阶振动模态，能覆盖100Hz-300Hz的频率段。因此，调整金属基板1的宽度，可以实现一阶和二阶振动幅度的提升，从而提高永磁体4产生电磁波的辐射强度。更准确来说，提高金属基板1的宽度，能够明显使其二阶振动幅度得到提升，从而提升100Hz-300Hz范围下的永磁体4产生电磁波的辐射强度。
实施例三
在实施例一中已经阐述，能够根据需要调整金属基板1的长度，从而调整永磁体4的简谐振动频率。
其中，金属基板1延伸方向的长度为110-230mm。
由于驱动部3与永磁体4的长度是固定的，驱动部3朝向永磁体4的端部与永磁体4的间隔距离为0-120mm。永磁体4沿金属基板1延伸方向长度不大于驱动部3沿金属基板1延伸方向长度的十分之一。
根据图6可知，金属基板1长度越大，一阶和二阶振动频率越低，因此能够覆盖50Hz以下的振动频率；同时提高金属基板1的长度，可提升其端部的振动位移，从而提高永磁体4产生电磁波的辐射强度。
在本实施例的具体实施中，驱动部3的厚度为0.25mm，宽度为20mm，长度为100mm；选择1块永磁体4，因此永磁体4的总质量为2.5g；金属基板1厚度为1mm，宽度为20mm，长度为230mm；交变电源5对驱动部3施加的交变电压为1000V。在此条件下，在金属基板1设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测该永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz，最大振动幅度为48mm。
实施例四
在实施例一中已经阐述，能够根据需要调整交变电源5的交变电压，从而调整永磁体4的简谐振动频率。
其中，交变电源5的交变电压为200-1400V。
根据图7可知，通过提高交变电源5对驱动部3施加的交变电场强度，能提高金属基板1的振动幅度，从而提升永磁体4产生电磁波的辐射强度。通过改变交变电源5的电压幅值，使金属基板1产生不同的振幅，从而使永磁体4向外辐射不同强度的电磁波，以实现加载信号，低频通信的功能。
在本实施例的具体实施中，驱动部3的厚度为0.25mm，宽度为20mm，长度为100mm；选择1块永磁体4，因此永磁体4的总质量为2.5g；金属基板1厚度为1mm，宽度为20mm，长度为110mm；交变电源5对驱动部3施加的交变电压为200V。在此条件下，在金属基板1设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测该永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz，最大振动幅度为22mm。
实施例五
在实施例一中已经阐述，能够根据需要调整永磁体4的总质量，从而调整永磁体4的简谐振动频率。
其中，若干永磁体4沿金属基板1表面的垂直方向层叠设置在金属基板1上。设置在金属基板1上的永磁体4的总质量为2.5-12.5g。
根据图8可知，不同总质量的永磁体4能够调节金属基板1端部的振动频率，以及调节金属基板1端部的振动幅度。调整合适的磁铁质量可大大提升金属基板1的一阶和二阶振动频率下的振动幅度，从而提升永磁体4产生电磁波的辐射强度。
在本实施例的具体实施中，驱动部3的厚度为0.25mm，宽度为20mm，长度为100mm；选择5块永磁体4，因此永磁体4的总质量为12.5g；金属基板1厚度为1mm，宽度为20mm，长度为110mm；交变电源5对驱动部3施加的交变电压为1000V。在此条件下，在金属基板1设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测该永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz，最大振动幅度为55mm。
实施例六
在实施例一中已经阐述，能够根据需要调整驱动部3的厚度，从而调整永磁体4的简谐振动频率。
其中，驱动部3沿金属基板1表面垂直方向的厚度为0.25-3mm。
根据图9可知，通过交变电源5对不同厚度的驱动部3施加相同的激励电场，可以得到金属基板1具有不同的振动频率。通过调整驱动部3的厚度可实现金属基板1振动频率的调节。同时，驱动部3的压电纤维复合材料厚度越薄，由驱动部3与金属基板1组成的压电悬臂梁的振动幅度越大，从而提升永磁体4产生电磁波的辐射强度。
在本实施例的具体实施中，驱动部3的厚度为3mm，宽度为20mm，长度为100mm；选择1块永磁体4，因此永磁体4的总质量为2.5g；金属基板1厚度为1mm，宽度为20mm，长度为110mm；交变电源5对驱动部3施加的交变电压为1000V。在此条件下，在金属基板1设置永磁体4一端采用激光位移传感器检测该永磁体4端的振动幅度和频率，其特征频率为30-300Hz，最大振动幅度为32mm。
实施例七
对于实施例一及三至五，分别通过交变电源5对驱动部3施加的交变电场，其交变电压由200V向1400V逐渐提升时，在距离压电悬臂梁永磁体端1m处，采用磁通量传感器检测此时磁场的最大磁感应强度。
根据图10可知，实施例一的最大磁感应强度为2.4μT；实施例三的最大磁感应强度为2.45μT；实施例四的最大磁感应强度为2.23μT；实施例五的最大磁感应强度为2.6μT；实施例六的最大磁感应强度为2.3μT。可见，实施例五的磁感应强度提升最大。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超低频天线系统，其特征在于，包括：
金属基板(1)，两端沿一直线方向延伸；
夹具(2)，夹住所述金属基板(1)的其中一端并用于固定金属基板(1)；
驱动部(3)，设置在所述金属基板(1)上并沿金属基板(1)延伸；
至少一个永磁体(4)，设置在所述金属基板(1)远离夹具(2)的一端并与驱动部(3)之间留有间隔；
其中，所述驱动部(3)为压电纤维复合材料制成，所述驱动部(3)能够在外部交变电场作用下产生正应变，并带动所述金属基板(1)发生简谐振动；
所述永磁体(4)随金属基板(1)发生简谐振动并向外辐射电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种超低频天线系统，其特征在于，还包括：
交变电源(5)，具有正极和负极；
其中，所述交变电源(5)的正极电性连接驱动部(3)，所述交变电源(5)的负极电性连接金属基板(1)。
3.根据权利要求2所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述交变电源(5)的交变电压为200-1400V。
4.根据权利要求1所述的一种超低频天线系统，其特征在于：若干所述永磁体(4)沿金属基板(1)表面的垂直方向层叠设置在金属基板(1)上。
5.根据权利要求4所述的一种超低频天线系统，其特征在于：设置在所述金属基板(1)上的永磁体(4)的总质量为2.5-12.5g。
6.根据权利要求1所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述金属基板(1)延伸方向的长度为110-230mm。
7.根据权利要求6所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述驱动部(3)朝向永磁体(4)的端部与永磁体(4)的间隔距离为0-120mm。
8.根据权利要求7所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述永磁体(4)沿金属基板(1)延伸方向长度不大于驱动部(3)沿金属基板(1)延伸方向长度的十分之一。
9.根据权利要求1所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述驱动部(3)沿金属基板(1)表面垂直方向的厚度为0.25-3mm。
10.根据权利要求1所述的一种超低频天线系统，其特征在于：所述金属基板(1)延伸方向的宽度大于驱动部(3)沿金属基板(1)延伸方向的宽度。
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