CN118017223A - 一种微夹持式双频磁电天线及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微夹持式双频磁电天线及其制备方法和应用，涉及低频段通信技术领域。该磁电天线从上往下依次包括上层磁致伸缩层、压电层和下层磁致伸缩层，压电层的顶部和底部还分别设有上层PCB板和下层PCB板，上层PCB板与上层磁致伸缩层、下层PCB板与下层磁致伸缩层均并列设置；上层PCB板、压电层和下层PCB板之间通过螺栓和螺母固定，下层PCB板上还连接有SMA同轴连接器，用以实现信号传输。本发明中的磁电天线具有弯曲振动和长度方向振动的两种工作模式，可以实现更低频频段的信号接收以及单天线双频移键控通信，且具有体积小、集成度高、频率低、噪声小等特点，可以更好地抑制传播损耗，具备更强的穿透能力，适用于矿井通信、水下通信等场景。
Description
技术领域
本发明涉及低频段通信技术领域，尤其涉及一种微夹持式双频磁电天线及其制备方法和应用。
背景技术
稳定的超/甚低频(ELF/LF)通信在透地、海洋通信以及采矿业地质勘探等领域至关重要。它能更好地抵抗噪声干扰，补偿传播损耗，穿透障碍物，实现抗干扰通信，这些因素决定了跨介质作业的有效性和可靠性。常用的电小天线为了在低频长波长和有损介质中的集肤效应的情况下实现有效的电磁辐射，要求天线尺寸与电磁波的波长相匹配。这就导致超/甚低频天线的尺寸达到几十公里，严重限制了水下通信、透地通信的应用。基于磁电效应的机械天线为解决这一挑战提供了一种新的方法，将高磁致伸缩材料与压电谐振器集成在一起。当感受到电磁场中的磁分量时，高磁致伸缩材料产生应变，从而驱动压电材料产生电荷，实现了电磁场与振荡电场的相互转化。在同等性能的前提下，该天线比最先进的电小天线尺寸可以减小1~2个数量级。
除了有效的辐射，无线通信系统的建设还需要一套调制方案对编码数据进行传输。直接天线调制（DAM，Direct Antenna Modulation）是一种近场传输方式，具有传输速率高、安全性强等优势，但当需要进行远距离传输信号时，需要改变传输的调制方式。在军用水下通信中，经常使用频移键控(FSK)作为通信方式，该方法是一种实现起来较容易，具有优秀的抗噪声与抗衰减性能的无线电波调制方式，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。而磁电天线本身带宽较窄，对电磁信号已经进行了一次滤波，因此能够显著的降低通信噪声。此外，为了提升通信速率、质量，采用具备更高的通信速率和质量的2FSK通信，需要磁电天线具备至少两个通信频带。
公开号为CN114251336A的发明专利申请文件中公开了一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线。将两份压磁材料分别粘接在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料；在磁电复合材料的自由端放置磁铁块，形成悬臂梁结构磁电天线。这种悬臂梁结构使得天线具有较低的谐振频率，并且能够在谐振频率不远处出现多个谐振峰以实现多谐振峰FSK通信，然而此种封装结构仍具有以下不足之处：（1）尺寸较大，集成度不高。（2）通过磁扭电效应实现多个频段，但是这种方式会导致较低的灵敏度和较高的天线检测限（LOD），不利于信号的远距离传输；（3）虽然具有多个频点，但只能够在单一频段进行应用，限制了磁电天线的应用范围。
公开号为CN116154466A的发明专利申请文件中公开了一种基于悬臂梁结构的低频机械式磁电天线，通过设定磁电悬臂梁的中性面刚好为压电材料层和磁致伸缩材料层的交界面,从而有效解决了层状磁电复合材料在做厚度弯曲振动时因中性面的位置不合适而出现的压电层极化或是磁致伸缩层磁化时产生极性相互抵消的问题。此种磁电天线相较电小天线具备较小尺寸，在提高磁电天线的辐射效率同时，又可以兼顾工作频率、阻抗和品质因数。然而此种结构磁电天线仍具有以下不足之处：（1）集成度低，不符合目前电子元器件集成化的趋势；（2）天线仅具有单一频带，且带宽较窄，限制了磁电天线的应用范围。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种微夹持式双频磁电天线及其制备方法和应用，该双频磁电天线以弯曲振动模式以及长度方向振动模式接收电磁波信号，可以实现单磁电天线的双FSK通信，而且体积小巧，集成度高、便于携带。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种微夹持式双频磁电天线，包括磁电复合材料，所述磁电复合材料的顶部设有上层PCB板，所述磁电复合材料的底部设有下层PCB板，且所述磁电复合材料与所述上层PCB板和下层PCB板之间通过螺栓和螺母连接；所述下层PCB板上连接有用于信号传输的SMA同轴连接器。
进一步的，所述磁电复合材料从上往下依次包括上层磁致伸缩层、压电层和下层磁致伸缩层，所述压电层的长度大于所述上层磁致伸缩层和下层磁致伸缩层的长度。
进一步的，所述上层PCB板和下层PCB板分别与所述压电层的顶部和底部欧姆接触。
进一步的，所述压电层的材料为氧化锌、铌镁酸铅晶体、硅酸镓镧、压电石英中的任一种。
进一步的，所述上层PCB板和下层PCB板均采用微带线，且所述上层PCB板和下层PCB板的电极材料为Au、Ag中的任一种。
进一步的，所述螺栓和螺母采用非铁磁性材料。
进一步的，本发明还包括如前所述的微夹持式双频磁电天线的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：材料准备；
步骤2：制备磁电复合材料；
步骤3：使用螺栓和螺母，将上层PCB板、下层PCB板与磁电复合材料组装；
步骤4：引出微夹持式双频磁电天线的电路接口。
进一步的，步骤2的具体操作包括以下步骤，
步骤201：分别取相同数量的Metglas磁致伸缩薄片，粘贴成型为厚度相同的上层磁致伸缩层和下层磁致伸缩层；
步骤202：在压电层的顶部粘接固定上层磁致伸缩层，在压电层的底部粘接固定下层磁致伸缩层，组装形成磁电复合材料。
进一步的，步骤4的具体操作包括以下步骤，
步骤401：将上层PCB板顶部电极通过金丝键合与下层PCB板电极连接；
步骤402：将SMA同轴连接器焊接在下层PCB板的电极处。
进一步的，本发明还包括如前所述的微夹持式双频磁电天线在超低频、甚低频双工作频段通信中的应用。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的双频磁电天线其天线尺寸远小于相互匹配的电磁波波长，同时，较阵列磁电天线实现双频带的方式，具有体积小、集成度高的优势。
2、本发明中双频磁电天线采用微夹持封装方式，将压电层上下电极与上下PCB板电极通过欧姆接触进行连接。相比于普通引线方式，欧姆接触方式提供了更好的电流传输性能，具有低电阻、稳定性、耐久性和广泛适用性等优势。同时，PCB板上集成度更高的引线结构，抑制了磁噪声，微带线抑制空间磁场引起的噪声。
3、本发明中双频磁电接收天线以微夹持封装方式实现了天线弯曲振动（d31）和长度方向振动（d33）的两种工作模式，可以实现双FSK的通信方式。同时，弯曲振动模式下的较低频率，具有较好的穿透能力，限于其信号传输速率慢，主要起到“唤醒”作用；长度方向振动模式下的较高频率，具有较快的信号传输速率，主要进行信号传输，这种方式提升了透地通信、水下通信的通信质量。
附图说明
图1为本发明中微夹持式双频磁电天线结构主视图。
图2为本发明中上层PCB板结构示意图。
图3为本发明中下层PCB板结构示意图。
图4为本发明仿真实验中微夹持式双频磁电天线磁激励下的频率响应曲线。
其中：1-上层PCB板，2-上层磁致伸缩层，3-压电层，4-下层磁致伸缩层，5-下层PCB板，6-螺栓，7-螺母，8-SMA同轴连接器。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例一
实施例一提供一种微夹持式双频磁电天线，如附图1所示，从上往下依次包括上层磁致伸缩层2、压电层3和下层磁致伸缩层4，所述压电层3的顶部和底部还分别设有上层PCB板1和下层PCB板5，所述上层PCB板1和下层PCB板分别位于相互对应的上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4一侧；且所述上层PCB板1、压电层3和下层PCB板5之间通过螺栓6和螺母7固定，所述下层PCB板5上连接有用于信号传输的SMA同轴连接器8。
具体的，所述上层磁致伸缩层2、压电层3和下层磁致伸缩层4宽度相同，压电层3的长度大于上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4的长度，且上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4与压电层3的自由端对齐。所述上层磁致伸缩层2的底部与压电层3的顶部，所述下层磁致伸缩层4的顶部与压电层3的底部均采用欧姆接触，通过调节上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4的长度，可以调节上层磁致伸缩层2、下层磁致伸缩层4与压电层3的接触面积，从而改变工作频率。
所述上层PCB板1和下层PCB板5均采用微带线，且所述上层PCB板1的底部电极和下层PCB板5的顶部电极通过螺栓6和螺母7采用微夹持方式与所述压电层3固定端的顶部电极和底部电极紧密贴合，通过欧姆接触形成稳定的连接。
为了保证压电层3输出的电压信号能够通过SMA同轴连接器8进行传输，采用背引线的方式将上层PCB板1底部电极引向顶部，如附图2和附图3所示。在附图2中，左侧是上层PCB板1的底部结构，右侧是上层PCB板1的顶部结构，左侧图示中的电极（长方形黑条）与压电层3顶部电极接触。图3为下层PCB板5的顶部结构，其中，中间的小电极（正方形黑条）通过金丝键合与上层PCB板1的顶部的电极连接，右侧的电极（长方形黑条）与压电层3底部电极接触，左侧的三个电极（长方形黑条）用于焊接SMA同轴连接器8，引出电路接口。外界电磁波引发磁致伸缩层（包括上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4）振动，压电层3与其产生共振，由于压电效应压，压电层3输出电压信号并通过上层PCB板1和下层PCB板5的电极经微带线传输到SMA同轴连接器8，由接收端口接收激励信号。
优选的，所述压电层3的材料为氧化锌（ZnO）、铌镁酸铅晶体（PMN-PT）、硅酸镓镧（La3Ga5SiO14）、压电石英（SiO2）等晶体材料中的任一种。
优选的，所述上层PCB板1和下层PCB板5所用电极材料为Au、Ag中的任一种，电极应大于3盎司，以保证形成稳定的欧姆接触。同时，在压电层3顶部电极和底部电极，以及上层PCB板1和下层PCB板5的电极上直接涂覆一层导电银浆，以保证形成稳定的欧姆接触。
优选的，所述上层PCB板1和下层PCB板5固定磁电复合材料所需的螺栓6和螺母7应为尼龙、亚克力、聚丙烯等非铁磁性材料。
优选的，所述上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4的材料为FeGa合金、Metglas、Terfenol-D等具备高磁致伸缩性能的合金。
本发明中微夹持式双频磁电天线的工作原理为：磁致伸缩层（包括上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4）感应电磁波的磁分量激发振荡应变，压电层3与其产生共振，由于压电效应，压电层3输出电压信号并通过上层PCB板1和下层PCB板5的电极经微带线传输到SMA同轴连接器8，由接收端口接收激励信号。
由于本发明中微夹持式双频磁电天线具有弯曲振动和长度方向振动的两种工作模式，因此可以实现超低频、甚低频双工作频段通信，在跨介质通信时，可以实现双FSK的通信方式。在弯曲振动模式下的超低频频段，具有较好的穿透能力，限于其信号传输速率慢，主要起到“唤醒”作用；长度方向振动模式下的较高频率，具有较快的信号传输速率，可以进行信息的传输。
实施例二
实施例二提供一种如实施例一中所述的微夹持式双频磁电天线的制备方法，具体包括以下步骤，
S1：材料准备；
具体的，切割一片20mm*5mm*0.5mm的PMN-PT压电晶体，作为压电层3；切割12mm*5mm*0.02mm的Metglas磁致伸缩薄片20片；
上层PCB板1的尺寸为10×15×0.8mm3，其顶部电极尺寸为3×3mm2，底部电极尺寸为10×3mm2。下层PCB板5的尺寸为25×15×0.8mm3，且下层PCB板5顶部电极尺寸分别为从左到右3×1mm2、2×2mm2、8×3mm2。
S2：分别取10片Metglas磁致伸缩薄片，粘贴成型为上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4；
具体的，将Westsystem105/206环氧树脂AB胶按质量比5:1混合，在Metglas磁致伸缩薄片上涂抹均匀，逐层粘接，并在粘片机上施加适当压力保证磁致伸缩片的粘接效果，静止24小时，等待环氧树脂胶完全固化即可。
S3：在压电层3的顶部粘接固定上层磁致伸缩层2，在压电层3的底部粘接固定下层磁致伸缩层4，组装形成磁电复合材料；
具体的，将步骤S2粘接好的上层磁致伸缩层2和下层磁致伸缩层4从粘片机中取出，在压电层3的顶部粘接上层磁致伸缩层2，在压电层3的底部粘接下层磁致伸缩层4，加压，静止等待完全固化。
S4：将上层PCB板1、下层PCB板5与磁电复合材料组装；
具体的，将步骤S3中粘接好的磁电复合材料（包括上层磁致伸缩层2、压电层3和下层磁致伸缩层4）从粘片机里取出；按照如附图1所示的顺序，将上层PCB板1、压电层3和下层PCB板5通过螺栓6和螺母7进行夹紧固定；同时在压电层3的电极和上层PCB板1、下层PCB板5的电极处直接涂覆一层导电银浆（厚度50um），以保证形成稳定的欧姆接触。
S5：引出微夹持式双频磁电天线的电路接口，最终组装天线整体尺寸为40×15×2.1mm3。
具体的，先通过背引线的方式将上层PCB板1底部电极引向顶部；然后上层PCB板1通过金丝键合与下层PCB板5连接；最后，将SMA同轴连接器8焊接固定在下层PCB板5上，引出电路接口。
仿真实验：
利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，对本发明中的微夹持式双频磁电天线进行仿真实验。
根据压电压磁本构方程，建立磁电天线空间磁场-振动力场-电场仿真模型，精确模拟电磁场与振荡电场的动态相互作用。设置夹持长度8mm,磁场强度10Oe，参数化扫描频率范围为0.1-40kHz。
由此得到微夹持式双频磁电天线的输出电压示意图如附图4所示，从附图4中可以看出，该天线在弯曲振动模式下的谐振频率为1.7kHz，长度方向振动模式下的谐振频率为24kHz，说明该磁电天线具备两个通信频带，具备实现双FSK的通信方式的潜力。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种微夹持式双频磁电天线，包括磁电复合材料，其特征在于：所述磁电复合材料的顶部设有上层PCB板（1），所述磁电复合材料的底部设有下层PCB板（5），且所述磁电复合材料与所述上层PCB板（1）和下层PCB板（5）之间通过螺栓和螺母连接；所述下层PCB板（5）上连接有用于信号传输的SMA同轴连接器（8）。
2.根据权利要求1所述的一种微夹持式双频磁电天线，其特征在于：所述磁电复合材料从上往下依次包括上层磁致伸缩层（2）、压电层（3）和下层磁致伸缩层（4），所述压电层（3）的长度大于所述上层磁致伸缩层（2）和下层磁致伸缩层（4）的长度。
3.根据权利要求2所述的一种微夹持式双频磁电天线，其特征在于：所述上层PCB板（1）和下层PCB板（5）分别与所述压电层（3）的顶部和底部欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的一种微夹持式双频磁电天线，其特征在于：所述压电层（3）的材料为氧化锌、铌镁酸铅晶体、硅酸镓镧、压电石英中的任一种。
5.根据权利要求3所述的一种微夹持式双频磁电天线，其特征在于：所述上层PCB板（1）和下层PCB板（5）均采用微带线，且所述上层PCB板（1）和下层PCB板（5）的电极材料为Au、Ag中的任一种。
6.根据权利要求3所述的一种微夹持式双频磁电天线，其特征在于：所述螺栓（6）和螺母（7）采用非铁磁性材料。
7.如权利要求2-6任一项所述的微夹持式双频磁电天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：材料准备；
步骤2：制备磁电复合材料；
步骤3：使用螺栓（6）和螺母（7），将上层PCB板（1）、下层PCB板（5）与磁电复合材料组装；
步骤4：引出微夹持式双频磁电天线的电路接口。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2的具体操作包括以下步骤，
步骤201：分别取相同数量的Metglas磁致伸缩薄片，粘贴成型为厚度相同的上层磁致伸缩层（2）和下层磁致伸缩层（4）；
步骤202：在压电层（3）的顶部粘接固定上层磁致伸缩层（2），在压电层（3）的底部粘接固定下层磁致伸缩层（4），组装形成磁电复合材料。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4的具体操作包括以下步骤，
步骤401：将上层PCB板（1）顶部电极通过金丝键合与下层PCB板（5）电极连接；
步骤402：将SMA同轴连接器（8）焊接在下层PCB板（5）的电极处。
10.如权利要求1-6任一项所述的微夹持式双频磁电天线在超低频、甚低频双工作频段通信中的应用。
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