CN117254259A - 一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法，包括一维阵列，一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；多个一维阵列构成呈辐射状分布或平行分布可以构成二维阵列，多个结构相同的二维阵列沿法向等间距设置可以构成三维结构。本发明提供的方案，能够提高机械天线的辐射能力和方向性，兼顾高调制速率。

Description

一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法

技术领域

本发明涉及机械天线技术领域，尤其涉及一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法。

背景技术

超低频(SLF，Super Low Frequency)电磁波指的是频率介于30Hz与300Hz间的电磁波，在跨介质信息传输场景下，SLF电磁波在海水等高损耗介质中具有时延小、传输衰减小、隐蔽性强等优点，因此，SLF电磁波在水下通信等方面具有较大的发展前景。然而，传统的SLF电天线受辐射效率与物理尺寸关系的制约，普遍存在天线体积庞大、功耗巨大、辐射效率差等缺点。

为了解决上述问题，相关技术中引入了机械天线的概念。机械天线的工作原理不同于传统电天线利用高频振荡电流产生电磁辐射的机制，而是在微观或宏观层面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的一种新概念天线。机械天线的设计方法主要可以分为两类：一类是机械运动式机械天线，即宏观上控制驻极体或者永磁体做机械运动，另一类是应变驱动式机械天线，例如，利用压电材料和磁致伸缩材料构成的磁电耦合(ME)式机械天线。

其中，对于第一类机械天线，相关技术中，在驱动驻极体或者永磁体的运动的实现上，目前普遍的做法是使用电机进行驱动，使驻极体或者永磁体做圆周运动，产生频率与电机的旋转频率相同的圆极化电磁波；然而，受到永磁体体积、质量和电机驱动做圆周运动的限制，天线信号的调制速率大约为1～2bps，调制速率较低；另外，由于旋转式永磁体为全向辐射，方向性较差。而对于第二类机械天线，由于ME式机械天线的材料自身谐振频率较高，可以达到kHz级别，甚至达到MHz级别；因此，这一类机械天线很难应用于SLF通信领域。

因此，如何提高应用于SLF通信领域机械天线的辐射能力和方向性，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法，能够使机械天线在适用于SLF通信领域的基础上，提高机械天线的辐射能力和方向性，同时兼顾较高的调制速率。

本发明实施例提出了一种摆动永磁体式机械天线阵列，包括一维阵列；所述一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；所述一维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为一维阵列中阵元个数。

上述方案中，所述一维阵列数量为多个，多个一维阵列构成二维阵列；所述二维阵列为多个一维阵列呈辐射状均匀分布构成的第一二维阵列，或者，所述二维阵列为多个一维阵列相互平行构成的第二二维阵列；其中，

所述第一二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第一二维阵列中阵元个数，x为第一二维阵列中一维阵列的数量；

所述第二二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第二二维阵列中阵元个数，a表示每个一维阵列中阵元数量，b表示一维阵列数量。

上述方案中，所述第一二维阵列数量为多个，多个第一二维阵列沿法向等间距平行排列构成第一三维结构。

上述方案中，所述第二二维阵列数量为多个，多个第二二维阵列沿法向等间距平行排列构成第二三维结构。

上述方案中，所述摆动永磁体式机械天线阵列通过固定机构固定设置在基板上，所述基板形状与所述摆动永磁体式机械天线阵列结构匹配；

所述机械天线单元包括偏置磁场外壳、激励线圈框架、激励线圈、转轴、永磁体和偏置磁铁；所述偏置磁场外壳为环形，所述激励线圈框架设于所述偏置磁场外壳内部，所述激励线圈沿所述激励线圈框架周向绕设在所述激励线圈框架外；所述转轴设于所述偏置磁场外壳围成的空间中并与所述激励线圈框架转动连接，所述永磁体设于所述转轴外圆周并与所述转轴同轴；所述偏置磁场外壳中与所述永磁体曲面对应的两个侧边均设置有凹槽，所述凹槽内设有与所述永磁体的曲面位置对应的偏置磁铁，所述偏置磁铁用于控制所述永磁体往复摆动的谐振频率。

上述方案中，所述偏置磁铁形状为片状，所述偏执磁铁轴线与所述永磁体轴线垂直，所述偏置磁铁用于沿轴向对所述永磁体进行磁化。

上述方案中，所述永磁体的极化方向为径向，所述永磁体的材质为钕磁铁(NdFeB)、钐钴(SmCo)或磁钢(AlNiCo)。

本发明实施例还提供一种上述任一摆动永磁体式机械天线阵列的应用方法，该方法包括：

对所述摆动永磁体式机械天线阵列中每个机械天线单元施加交变激励信号，生成低频交流磁场；

利用所述低频交流磁场为对应机械天线单元中的永磁体施加交流磁转矩，使所述永磁体围绕平衡位置往复摆动。

上述方案中，所述天线单元包括设置在永磁体两侧的偏置磁铁，所述方法还包括：

利用所述偏置磁铁产生偏置磁场；

利用所述偏置磁场为对应永磁体提供约束磁转矩，控制对应永磁体摆动至平衡位置。

上述方案中，所述方法还包括：

调整所述偏置磁铁的数量，以调整所述偏置磁场的强度以及系统谐振频率；其中，所述系统谐振频率的范围为30Hz～3000Hz。。

综上，本发明具有以下有益效果：

(1)通过将多个机械天线单元按照一维阵列的方式排布，能够弱化阵元之间的动态磁场耦合，从而增加超低频机械天线的磁场辐射能力，并能实现阵列尺寸的小型化；进一步地，通过利用一维阵列构成二维阵列及三维结构，能够进一步增加超低频机械天线的磁场辐射能力和实现阵列尺寸的小型化；

(2)通过构成一维或者二维阵列，使机械天线能够兼顾较高的调制速率和更强的辐射能力，同时，摆动永磁体式机械天线单元的磁场分布具有方向性，从而使由机械天线单元构成所的述一维或二维阵列也具有更好的方向性，进而提高机械天线整体的方向性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列中一维阵列结构示意图；

图2为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列中第一二维阵列结构示意图；

图3为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列中第二二维阵列结构示意图；

图4为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列中机械天线单元结构示意图；

图5为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列中机械天线单元内部结构示意图；

图6为本发明实施例摆动永磁体式机械天线阵列应用方法流程示意图；

图7为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线中机械天线单元工作原理示意图；

图8为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线中一维阵列结构在天线所在xoy平面的磁场Br分量的理想磁通密度强度方向图仿真结果示意图；

图9为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线中一维阵列结构与其它一维阵列结构在不同阵元间距下电磁力大小对比示意图；

图10为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线一维阵列结构与其它一维阵列结构在阵元间距为64mm及112mm时中央阵元与边缘阵元之间的电磁力大小在一个工作周期内的对比示意图；

图11为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线一维阵列结构在天线阵列中心所在平面x轴正半轴上磁场Br分量随距离的变化示意图；

图12为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线一维阵列结构在天线阵列中心所在平面xoy平面的磁场Br分量的磁通密度强度方向图；

图13为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线中机械天线单元在天线所在xoy平面的x轴正半轴上磁场Br分量随距离的变化图。

附图标记：1-机械天线单元；2-一维阵列基板；3-第一二维阵列基板；4-第二二维阵列基板；5-偏置磁场外壳；6-偏置磁铁；7-永磁体；8-激励线圈框架；9-固定通孔；10-激励线圈；11-转轴；12-轴承。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的描述。

本发明实施例提供了一种摆动永磁体式机械天线阵列，如图1至3所示，摆动永磁体式机械天线阵列包括：基板、固定结构和天线阵列，所述天线阵列包括多个机械天线单元1，所述多个机械天线单元1通过固定结构固定设置在所述基板表面并按照一维阵列或二维阵列方式排布。

其中，如图4至图5所示，所述机械天线单元1包括偏置磁场外壳5、激励线圈框架8、激励线圈10、转轴11、永磁体7和偏置磁铁6；所述偏置磁场外壳5为环形，所述激励线圈框架8设于所述偏置磁场外壳5内部，所述激励线圈10沿所述激励线圈框架8周向绕设在所述激励线圈框架8外；所述转轴11设于所述偏置磁场外壳5围成的空间中并与所述偏置磁场外壳5转动连接，所述永磁体设于所述转轴11外圆周并与所述转轴11同轴；所述偏置磁场外壳5中与所述永磁体7曲面对应的两个侧边均设置有凹槽，所述凹槽内设有与所述永磁体7的曲面位置对应的偏置磁铁6，所述偏置磁铁6用于控制所述永磁体7往复摆动的谐振频率。

在一实施例中，如图1所示，所述天线阵列包括一个一维阵列；所述一维阵列包括多个机械天线单元1，所述基板为矩形的一维阵列基板2，所述多个天线单元1沿所述一维阵列基板2的轴线均匀布置，且所述多个天线单元1的永磁体7的轴线位于同一条直线；所述一维阵列结构表示为：

其中，为永磁体7静止时的磁化矢量，/>为永磁体7转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为阵列中阵元个数。

在一实施例中，所述一维阵列中阵元数量为3，即机械天线单元1的数量为3，则一维阵列结构可以表示为

需要说明的是，在一维阵列中，天线阵在100m处的等效磁通密度强度可以达到1.09pT_pk，而单个阵元在100m处等效磁通密度强度仅为0.415pT_pk，而包括三个阵元的一维天线阵辐射性能可以增强到单阵元的2.63倍；因此，可以通过进一步增加一维阵列中机械天线单元1数量，或者通过设计包括多个一维阵列的二维阵列结构，来实现同步增加天线阵的辐射能力。

基于此，所述摆动永磁体式机械天线阵列可以包括多个一维阵列，多个一维阵列构成二维阵列。

在一实施例中，如图2所示，所述二维阵列可以是第一二维阵列；所述基板为圆形的第一二维阵列基板3，多个一维阵列呈辐射状均匀分布在第一二维阵列基板3表面，构成第一二维阵列；所述机械天线单元1的二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体7静止时的磁化矢量，/>为永磁体7转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为阵列中阵元个数，x为分支的数量，也就是一维阵列的数量。

在一实施例中，所述第一二维阵列的每个一维阵列中机械天线单元的数量可以相同；具体地，每个一维阵列中机械天线单元的数量可以是3，一维阵列的数量为8，第一二维阵列中阵元的数量为24，则机械天线单元1的二维阵列结构表示为

这里，第一二维阵列为弱静态磁场耦合，弱辐射磁场耦合，二维阵列形状为圆盘状，将x个一维阵列的一端同圆心呈花瓣状均等弧度分布，各一维阵列的排列方式为顺时针或者逆时针。

在一实施例中，所述第一二维阵列数量可以为多个，多个第一二维阵列沿法向等间距平行排列构成第一三维结构。

在一实施例中，如图3所示，所述二维阵列也可以是第二二维阵列；所述基板为方形的第二二维阵列基板4，多个一维阵列平行设置在第二二维阵列基板4上，构成第二二维阵列。

具体地，所述多个机械天线单元1按照a×b矩阵形式的第二二维阵列排布，所述基板为方形的第二二维阵列基板4，机械天线单元1按照a×b矩阵形式设置在所述第二二维阵列基板4上；所述第二二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体7静止时的磁化矢量，/>为永磁体7转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为阵列中阵元个数，a表示阵列行数，也就是一维阵列中阵元数量，b表示阵列列数，也就是一维阵列的数量。

在一实施例中，多个机械天线单元1按照3×3矩阵形式的二维阵列排布，阵元数量为9，机械天线单元1的二维阵列结构表示为

在一实施例中，所述第二二维阵列数量为多个，多个第二二维阵列沿法向等间距平行排列构成第二三维结构。

本发明实施例中机械天线单元1的阵列结构，包括一维阵列、二维阵列和三维结构，均采用并联驱动的方式进行驱动，即，同一阵列中的所有机械天线单元1同步工作，所产生的辐射磁场是阵列中所有机械天线单元产生辐射磁场的矢量和。

本发明提出的机械天线单元在工作时，可以通过偏置磁铁6对永磁体7施加直流偏置磁场，用来给永磁体7提供约束磁转矩，使永磁体7保持在平衡位置(工作原理图7中水平虚线位置)；当在激励线圈10上通入激励信号后，其产生的交流磁场将给永磁体7施加交流磁转矩，作用于永磁体7的磁矩，使得永磁体7围绕其平衡位置左右摆动。

在一实施例中，每个机械天线单元1可以通过螺栓固定在对应基板预留的固定通孔上。

在一实施例中，所述永磁体7粘贴固定在转轴11的中心位置，激励线圈框架8对应转轴11端部的位置设有安装槽，安装槽内设有轴承12，转轴11的两端分别与两个轴承12紧密配合；永磁体7、转轴11和两个轴承12组成的转动装置固定安装在激励线圈框架8上，激励线圈10缠绕于激励线圈框架8的开槽内，激励线圈框架8放置于偏置磁场外壳5内；偏置磁场外壳5在对称的两面开有凹槽用于放置偏置磁铁6，通过改变偏置磁铁6的数目可改变偏置磁场大小，进而调整谐振频率。

在一实施例中，每个凹槽内偏置磁铁6的数量可以根据所需偏置磁场的强度设置；具体地，所述偏置磁场外壳5装套于激励线圈框架8外部，与激励线圈框架8紧密结合装配，偏置磁场外壳5的边缘位置处有三处突起，突起面内开有固定通孔9，可将整个结构采用螺栓配合螺母的方式固定在一维阵列基板2或者二维阵列基板3、4上，防止其在工作过程中由于晃动而降低辐射效率。

在一实施例中，所述一维阵列基板2或者二维阵列基板3、4为树脂、铜或者无磁钢材料，可采用3D打印或者机加工的方式制造。

在一实施例中，所述偏置磁铁6形状为片状，所述偏置磁铁6轴向与所述永磁体7轴向相互垂直，所述偏置磁铁6用于沿轴向对所述永磁体7进行磁化，以使所述永磁体7摆动至平衡位置。

在一实施例中，所述永磁体7为NdFeB、SmCo、AlNiCo等或其他材料的永磁体，极化方向为径向。

在一实施例中，所述激励线圈框架8为中空结构，上下开有对称的圆形通孔，所述圆形通孔用于放置轴承12。

在一实施例中，所述转轴11采用铝合金或者高分子复合材料，具体地，转轴11的材质为铝合金、高分子复合材料、氧化锆陶瓷、无磁钢或塑料等非铁磁性材料，转轴11与永磁体7、转轴11与轴承12均紧密连接。

在一实施例中，所述激励线圈10采用表面绝缘的铜导线紧密绕制而成，缠绕于激励线圈框架8的开槽内，用于施加激励信号。

本发明实施例还提供上述任一摆动永磁体式机械天线阵列的应用方法，如图6所示，所述方法包括：

步骤601：对所述摆动永磁体式机械天线阵列中每个天线单元施加交变激励信号，生成低频交流磁场。

具体地，对每个天线单元的激励线圈施加交流激励信号，以生成低频的交流磁场来驱动永磁体摆动。

步骤602：利用所述低频交流磁场为对应机械天线单元中的永磁体7施加交流磁转矩，使所述永磁体7围绕平衡位置往复摆动。

在一实施例中，所述方法还包括：

利用所述偏置磁铁产生偏置磁场；

利用所述偏置磁场为对应永磁体提供约束磁转矩，控制对应永磁体摆动至平衡位置。

其中，在简谐运动的0、T/2、T时刻，使永磁体处于平衡位置。

在一实施例中，所述方法还可以包括：

调整所述偏置磁铁的数量，以调整所述偏置磁场的强度以及系统谐振频率；其中，所述系统谐振频率的范围为30Hz～3000Hz。

具体地，可以利用所述摆动永磁体式机械天线阵列中的偏置磁铁6调整偏置磁场强度，以调整所述摆动永磁体式机械天线阵列的谐振频率，从而达到调整偏置磁场强度的效果。

综上，本发明实施例提供的摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法的优点包括：

(1)天线阵列辐射能力显著增强；示例性地，在阵元间距64mm条件下，由三个阵元组成的一维阵列的辐射能力是单阵元的2.63倍。

(2)功耗较低，单个天线工作时的功耗为几百毫瓦；示例性地，在一维阵列结构的条件下，采用电压并联驱动的方式，在最佳谐振状态下，驱动电压为9.2Vpp时，其实际功率仅为220mW，远小于旋转永磁式机械天线所使用的电机功率。

(3)在增强辐射能力的同时还能保持较高的调制速率，其调制速率比传统旋转永磁式机械天线阵列更高，示例性地，可以达到4bps以上。

本发明实施例还提供上述任一摆动永磁体式机械天线阵列的制备方法，包括：

步骤1：设计和加工转轴11、激励线圈框架8、偏置磁场外壳5和一维阵列基板2或者第一二维阵列基板3或者第二二维阵列基板4；

步骤2：将永磁体7组装到转轴11上，并将组装好的转轴11放入激励线圈框架8内，在激励线圈框架8的圆形通孔中放入轴承12，将转轴11与永磁体7、转轴11与轴承12、轴承12与圆形通孔紧密连接；

步骤3：将激励线圈10缠绕在激励线圈框架8的开槽内；

步骤4：将绕有激励线圈10的激励线圈框架8安装在偏置磁场外壳5内；

步骤5：在偏置磁场外壳5的两侧安装偏置磁铁6；

步骤6：将组装好的多个机械天线单元1固定在一维阵列基板2或者第一二维阵列基板3或者第二二维阵列基板4上，组成对应的阵列结构。

下面结合具体应用实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

本发明应用实施例提供了一种摆动永磁式机械天线，如图1至5所示，包括机械天线单元1和基板，机械天线单元1通过固定结构固定在基板上；基板为一维阵列基板2、二维阵列基站一3或第二二维阵列基板4。

一维阵列基板2为采用树脂、铜或者无磁钢材料的长方形带挖槽结构，尺寸为长400mm，宽65mm，高12mm，中间开槽部分的尺寸为长300mm，宽60mm，高4mm，根据预先设计的阵列间距和摆动永磁机械机械天线单元1的固定通孔9的位置，在基板上开有通孔，通孔尺寸3mm，深度为贯穿，阵列间距为64mm。

机械天线单元1包括偏置磁场外壳5、偏置磁铁6、永磁体7、激励线圈框架8、激励线圈10、转轴11和轴承12。

偏置磁场外壳5为采用铝合金或者高分子复合材料的长方形带挖槽的结构，外边缘带有三处用于固定的结构。尺寸为长28mm、宽22mm、高46mm，三处用于固定的结构均为10mm长度，中心开有直径为3mm的通孔。

偏置磁体6为圆片型NdFeB材料永磁体，直径20mm，厚度2mm。

永磁体7采用空心圆柱型NdFeB型永磁体材料，其外径14mm，内径7mm，高19mm。

激励线圈框架8为采用铝合金或者高分子复合材料的长方形带挖槽的结构，尺寸为长22mm、宽18mm、高27mm。

偏置磁场外壳5向外凸起，构成固定部，固定通孔9设在固定部中心位置，固定通孔9的尺寸为3mm。

激励线圈10采用直径350μm的铜漆包线紧密绕制，多层，匝数为150匝。

转轴11为采用铝合金或者高分子复合材料的圆柱型结构，上下两头直径略小，为3mm，长度为3.5mm，中间部分直径为7mm，长度为27mm，整个转轴的长度为34mm。

轴承12采用氧化锆陶瓷材料，内径5mm，外径10mm，高4mm。

本发明应用实施例提出的一种摆动永磁式机械天线阵列，不管是一维阵列还是二维阵列，都采用并联驱动的方式进行驱动，所有摆动永磁式机械机械天线单元同步工作，所产生的辐射磁场是阵列中所有摆动永磁式机械机械天线单元产生辐射磁场的矢量和。

图7为本发明应用实施例摆动永磁式机械天线在交变激励信号一个周期内的工作示意图，在交变激励信号的作用下其会来回往复运动，所述一种摆动永磁式机械天线阵列是若干摆动永磁式机械天线同步进行这样的运动过程。

本发明应用实施例提出的摆动永磁式机械机械天线单元在工作时，需对其施加直流偏置磁场，用来给永磁体提供约束磁转矩，使永磁体保持在平衡位置(工作原理图7中水平虚线位置)。当在激励线圈上通入激励信号后，其产生的交流磁场将给永磁体施加交流磁转矩，作用于永磁体的磁矩，使得永磁体围绕其平衡位置左右摆动。

图8为本发明所述的摆动永磁式机械天线一维阵列结构在天线所在xoy平面的磁场Br分量的理想磁通密度强度方向图仿真结果；图9是本发明所述的摆动永磁式机械天线一维阵列结构/>与其它一维阵列结构在不同阵元间距下电磁力大小对比；图10是本发明所述的摆动永磁式机械天线一维阵列结构/>与其它一维阵列结构在阵元间距为64mm及112mm时中央阵元与边缘阵元之间的电磁力大小在一个工作周期内的对比。

图11是上述应用实施例摆动永磁式机械天线一维阵列结构在天线所在xoy平面的x轴正半轴上磁场Br分量随距离的变化图；图12是本发明所述的摆动永磁式机械天线一维阵列结构/>在天线阵列中心所在平面xoy平面的磁场Br分量的磁通密度强度方向图；其中，磁通密度强度随距离做3次方衰减，所提出摆动永磁式机械天线阵列在100m辐射等效磁通密度强度达到1.09pT_pk，是单个阵列单元在100m处辐射等效磁通密度0.415pT_pk的2.63倍；图13为本发明所述的摆动永磁式机械机械天线单元在天线所在xoy平面的x轴正半轴上磁场Br分量随距离的变化图。

综上，本发明应用实施例的有益效果是：

(1)本发明提供的摆动永磁式机械天线阵列结构能够提升天线的磁场辐射能力，同时实现阵列尺寸的小型化；具体原理如下：

单个阵元单元的的工作原理为：设单个摆动永磁式机械机械天线单元在谐振时的最大摆动角度为θ_max，在进行通信时，通常接收其产生的Br分量，可描述为：

在实际应用时，接收天线与摆动永磁体处于同一水平面内，取即天线所在水平面内，其方向图分布可描述为：

其方向图分布为8字形分布，具有方向性；由于单个摆动永磁式机械机械天线单元的辐射能力较弱，若单纯考虑增加永磁体体积，会加大调制难度，因此，构成如图1所示的一维阵列或者如图2、图3所示的二维阵列，来提升天线的磁场辐射能力，假设有n个摆动永磁式机械机械天线单元，则阵列的辐射磁场可表示为：

其中为第i个阵元由其在阵列中所处位置与其它阵元之间的耦合所决定的函数，/>

在实施例1中，阵元数n＝3，在天线最大辐射方向100m处，得到单个阵元等效磁通密度强度为0.415pT_pk，经实测，阵列为1.09pT_pk，3阵元构成的阵列辐射能力为单个阵元的约2.63倍，这是因为每一个摆动永磁式机械天线阵元都是一个独立的谐振系统，而不同的阵列形式，阵元之间的辐射磁场之间的相互影响不一样，相互影响越强，对每一个阵元的谐振影响越大，阵列的辐射性能越差，阵列/>形式是经优选的最佳阵列形式。

以一维阵列为基础来构成二维阵列。

如图2所示即为由其构成的第一二维阵列

如图3所示即为由其构成的二维阵列二

(2)本发明所述的摆动永磁式机械天线阵列的调制速率比旋转永磁式阵列更高，可以达到4bps以上；具体原理如下：

在一个调制信号周期内，摆动永磁式机械机械天线单元和旋转永磁式机械机械天线单元的调制速率都是由其驱动转矩T和永磁体的惯性矩I所共同决定的，驱动转矩T决定了调制时的角加速度大小α，这决定了信号状态的转换时间。在相同的恒定大小的永磁体的惯性矩I、驱动转矩T的条件下，以2PSK为例，旋转永磁式机械机械天线单元每产生一个调制信号，永磁体需反向运动π/2rad，而摆动永磁式机械机械天线单元只需要运动θ_maxrad， 产生一个完整的调制信号时，存在起振和衰减两个过程，两者均需要运动产生信号的最大幅度对应的角度，在2PSK中，不论是起振和衰减过程，其转换时间均由α决定，摆动永磁式机械机械天线单元的转换时间为：/> 旋转永磁式机械机械天线单元转换时间为：/>可见摆动永磁式机械机械天线单元实现一次信号调制的转换时间是小于旋转永磁式机械天线的，当调制速率逐渐升高，信号变换的时间间隔小于旋转永磁式机械天线完成一次信号调制的转换时间，就会造成信噪比下降，甚至无法调制。而摆动永磁式机械机械天线单元由于完成一次状态转换所需时间更少，因此能够达到更高的调制速率。

在构成摆动永磁式机械天线阵列后，不合适的阵列形式会造成阵元之间强的动态耦合，影响阵元的谐振工作状态，造成辐射能力提升很小，更严重的造成阵元无法正常工作。通过实验证明，本发明应用实施例所述的机械天线阵列结构是经优选的在相同的阵列尺寸下，最佳的形式。

(3)本发明所述的机械天线阵列结构效率高，在相同的输入能量下，效率高于旋转永磁式机械天线阵列；具体工作原理如下：

在摆动永磁式机械天线阵列的工作过程中，与旋转永磁式机械天线阵列相似，其能量的损耗部分包括轴承的摩擦损耗、线圈产生的涡流损耗、永磁体旋转时的空气阻力造成的损耗这几部分，线圈产生的变化磁场主要是与永磁体耦合，驱动永磁体运动的，即实现磁能到动能的转换，因此涡流损耗较小。而为了减小空气阻力，在设计时就将永磁体的形状设置为圆柱形，空气阻力也很小。因此从一个长周期来看，其最主要的损耗还是来自于轴承的摩擦损耗，轴承每循环的摩擦能量损失由下式给出：

W_fr＝4τθ_max (1)

其中，τ是轴承的摩擦力矩，θ_max是最大摆动角度。

以实施例1为例，其单个阵元左右摆动角度最大约为而单个旋转永磁体其角度为π。因此，在相同的输入能量，相同阵元数目下，摆动永磁式机械天线阵列的能量损失是小于旋转永磁式机械天线阵列的，因此效率更高。

需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

另外，本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，包括一维阵列；所述一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；所述一维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为一维阵列中阵元个数。

2.根据权利要求1所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述一维阵列数量为多个，多个一维阵列构成二维阵列；所述二维阵列为多个一维阵列呈辐射状均匀分布构成的第一二维阵列，或者，所述二维阵列为多个一维阵列相互平行构成的第二二维阵列；其中，

所述第一二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第一二维阵列中阵元个数，x为第一二维阵列中一维阵列的数量；

所述第二二维阵列结构表示为：

其中，为永磁体静止时的磁化矢量，/>为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第二二维阵列中阵元个数，a表示每个一维阵列中阵元数量，b表示一维阵列数量。

3.根据权利要求2所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述第一二维阵列数量为多个，多个第一二维阵列沿法向等间距平行排列构成第一三维结构。

4.根据权利要求2所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述第二二维阵列数量为多个，多个第二二维阵列沿法向等间距平行排列构成第二三维结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述摆动永磁体式机械天线阵列通过固定机构固定设置在基板上，所述基板形状与所述摆动永磁体式机械天线阵列结构匹配；

所述机械天线单元包括偏置磁场外壳、激励线圈框架、激励线圈、转轴、永磁体和偏置磁铁；所述偏置磁场外壳为环形，所述激励线圈框架设于所述偏置磁场外壳内部，所述激励线圈沿所述激励线圈框架周向绕设在所述激励线圈框架外；所述转轴设于所述偏置磁场外壳围成的空间中并与所述激励线圈框架转动连接，所述永磁体设于所述转轴外圆周并与所述转轴同轴；所述偏置磁场外壳中与所述永磁体曲面对应的两个侧边均设置有凹槽，所述凹槽内设有与所述永磁体的曲面位置对应的偏置磁铁，所述偏置磁铁用于控制所述永磁体往复摆动的谐振频率。

6.根据权利要求5所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述偏置磁铁形状为片状，所述偏执磁铁轴线与所述永磁体轴线垂直，所述偏置磁铁用于沿轴向对所述永磁体进行磁化。

7.根据权利要求5所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述永磁体的极化方向为径向，所述永磁体的材质为钕磁铁NdFeB、钐钴SmC o或磁钢AlNiCo。

8.一种权利要求1至7中任一项所述摆动永磁体式机械天线阵列的应用方法，其特征在于，包括：

对所述摆动永磁体式机械天线阵列中每个机械天线单元施加交变激励信号，生成低频交流磁场；

利用所述低频交流磁场为对应机械天线单元中的永磁体施加交流磁转矩，使所述永磁体围绕平衡位置往复摆动。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述天线单元包括设置在永磁体两侧的偏置磁铁，所述方法还包括：

利用所述偏置磁铁产生偏置磁场；

利用所述偏置磁场为对应永磁体提供约束磁转矩，控制对应永磁体摆动至平衡位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

调整所述偏置磁铁的数量，以调整所述偏置磁场的强度以及系统谐振频率；其中，所述系统谐振频率的范围为30Hz～3000Hz。