一种基于振动形式的永磁体机械天线系统及通信方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于振动形式的永磁体机械天线系统及通信方法。


背景技术：

2.低频电磁波的应用范围十分的广泛，电磁波的频率越低，其波长就越长，穿透能力越强。低频电磁波可以在地底，海水等极端环境中传播，其具有传播距离远，可靠性高，抗干扰能力强等特点。
3.现有的低频电磁波天线尺寸庞大，辐射电阻小，带宽窄，必须进行阻抗匹配，但这会显著增加损耗，导致超低频天线辐射效率很低。美国的超低频对潜发射信台占地面积很大，发信功率达到兆瓦量级。
4.基于永磁体的机械天线与传统天线不同，机械天线能完成机械能向电磁能的转换，可以实现天线的小型化。利用高性能的永磁体，机械天线不需要消耗能量就可以产生静态强磁场，而传统的电小天线需要消耗巨大能量才可以产生等效磁场，由于没有高电抗，机械天线可以不需要阻抗匹配，也节省了其带来的能量损耗，进一步提高辐射效率。
5.机械天线的信息加载一般在其机械驱动环节实现，它的低损耗的特点，使其可以利用很小的能量直接产生低频电磁波用以信息加载。因此永磁体机械天线有望实现低频发射天线的小型化，从而使得其应用范围更加广泛。
6.现有技术中，永磁体机械天线的实现形式主要是使永磁体旋转，通过改变不同的转速来实现不同频率的电磁波传播。但是旋转方式驱动永磁体，需要电机转速较大，例如发射100hz的电磁波信号，需要电机的转速达到6000转每分钟，而电机长时间高速运转，发热量较大，易损坏电机，并且高速运转的电机如果固定不好，易造成安全事故。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于振动形式的永磁体机械天线系统，以解决现有旋转方式驱动永磁体天线易损坏电机和存在安全事故的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供一种基于振动形式的永磁体机械天线系统，包括机械振动源、连接器和永磁体；
9.所述连接器用于连接所述机械振动源和所述永磁体；
10.所述机械振动源线性往复振动，带动所述永磁体线性往复振动，所述永磁体线性往复振动产生电磁波信号。
11.在一实施例中，所述永磁体的往复振动方向与所述永磁体的磁极连接线方向相同。
12.在另一实施例中，所述永磁体的往复振动方向与所述永磁体的正面垂直。
13.可选地，所述机械振动源的振动方程为asin(2π
×
f
×
t)，其中f为振动频率，a为振幅。
14.可选地，所述振动频率为300
‑
30000hz。
15.可选地，所述永磁体为ndfeb型永磁体，长为4cm～10cm，宽为1～3cm，高为0.5
‑
1.5cm，所述永磁体的磁极在其长边的两端。
16.进一步地，所述ndfeb型永磁体长为6cm，宽为2cm，高为1cm。
17.可选地，所述连接器为高分子聚合材料，所述连接器具有绝缘性。
18.在一实施例中，所述连接器朝向所述永磁体的一端设置有安装槽，所述永磁体的一长端与所述安装槽过盈配合，所述连接器背向所述安装槽的一端连接所述机械振动源。
19.可选地，所述机械振动源包括可程式机械振动台、mostar振动台和模拟运输机械振动台中的任一种。
20.本发明还提供一种通信方法，使用上述所述的一种基于振动形式的永磁体机械天线系统。
21.本发明技术方案的基于振动形式的永磁体机械天线系统，包括机械振动源、连接器和永磁体；所述连接器用于连接所述机械振动源和所述永磁体；所述机械振动源线性往复振动，带动所述永磁体线性往复振动，所述永磁体线性往复振动产生电磁波信号，该机械天线系统发射的电磁波频率可以通过机械振动源的振动频率调节，机械振动源的振动频率与电磁波的发射频率相同，本发明技术方案提供了一种不同于现有技术的永磁体机械天线系统，本方案不需要使用旋转电机，安全性高，天线使用寿命长，天线设备安装更简单，并且本方案的机械天线系统发射的低频信号比现有技术的机械天线系统发射的低频信号更强或相当。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
23.图1为本发明的基于振动形式的永磁体机械天线系统的结构示意图；
24.图2为本发明的基于振动形式的永磁体机械天线系统的一种振动方式；
25.图3为本发明的基于振动形式的永磁体机械天线系统的另一种振动方式；
26.图4为本发明的基于振动形式的永磁体机械天线系统的一种振动方式的仿真实验结果图；
27.图5为本发明的基于振动形式的永磁体机械天线系统的另一种振动方式的仿真实验结果图；
28.图6为现有技术的旋转方式驱动的永磁体机械天线系统的仿真实验结果图。
29.主要元件符号说明：
[0030]1‑
机械振动源；2
‑
连接器；3
‑
永磁体。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0033]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0035]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0036]
本发明提供一种基于振动形式的永磁体机械天线系统，请参阅图1，包括机械振动源1、连接器2和永磁体3；所述连接器2用于连接所述机械振动源1和所述永磁体3；所述机械振动源1线性往复振动，带动所述永磁体3线性往复振动，所述永磁体3线性往复振动产生电磁波信号。
[0037]
具体的，所述机械振动源3用于实现机械振动，提供驱动永磁体3的机械力。可选地，所述机械振动源例如可以包括可程式机械振动台、mostar振动台和模拟运输机械振动台中的任一种，其中，mostar振动台可以用于正弦定频振动试验、正弦扫频振动试验、宽带随机振动试验等。
[0038]
具体的，所述连接器2用于将永磁体3固定在机械振动源1上，以使机械振动源1带动永磁体3振动。所述连接器2一端连接所述机械振动源1，另一端连接所述永磁体3。所述连接器2例如可以为将所述机械振动源1和所述永磁体3粘贴到一起的胶水，所述连接器2还可以为将所述永磁体3和所述机械振动源3夹紧的夹具。所述连接器2还可以包括一连接件和胶水，连接件的一端固定永磁体3，再将连接件的另一端粘贴在机械振动源1。
[0039]
具体的，永磁体3做物理运动从而产生时变磁场(或等效加速电荷)，从而产生振荡磁场并传播电磁波。永磁体3也叫硬磁体，不易失磁，也不易被磁化。永磁体3可以为合金永磁材料制备而成的永磁体3，也可以为铁氧体永磁材料制备而成的永磁体3，所述永磁体3可以为条形、蹄形、圆环形、圆柱形或饼形等，所述永磁体3的两端分别为n极和s极两个磁极。
[0040]
具体的，所述机械振动源1带动所述永磁体3振动的方向可以与所述永磁体3的磁极连接线方向相同、相交或垂直。所述机械振动源1和所述永磁体3的连接可以为水平方向的连接，也可以为竖直方向的连接。
[0041]
本发明技术方案的基于振动形式的永磁体机械天线系统，包括机械振动源1、连接器2和永磁体3；所述连接器2用于连接所述机械振动源1和所述永磁体3；所述机械振动源1线性往复振动，带动所述永磁体3线性往复振动，所述永磁体3线性往复振动产生电磁波信号，该机械天线系统发射的电磁波频率可以通过机械振动源1的振动频率调节，机械振动源1的振动频率与电磁波的发射频率相同，本发明技术方案提供了一种不同于现有技术的永磁体机械天线系统，本方案不需要使用旋转电机，安全性高，天线使用寿命长，天线设备安装更简单，并且本方案的机械天线系统发射的低频信号比现有技术的机械天线系统发射的低频信号更强或相当。
[0042]
在一实施例中，所述永磁体3的往复振动方向与所述永磁体3的磁极连接线方向相同。
[0043]
具体的，请参阅图3，图3中的双箭头线为永磁体3的往复振动方向。磁极连接线是指永磁体3的n极和s极之间的连接线，图3所示的机械天线系统永磁体3的振动方向和磁极连接线方向均为水平方向。
[0044]
可以理解的是，图3仅为本实施例的一示意图，所述永磁体3往复振动方向与所述永磁体3的磁极连接线方向相同除了图3所示，例如还可以为与图3所示的区别仅在于永磁体3竖直连接在所述连接器2上，即所述永磁体3的磁极连接线为竖直线，此时所述永磁体3沿着竖直方向振动与磁极连接线方向相同。
[0045]
例如还可以为与图3所示的区别在于机械振动源1、连接器2和永磁体3为竖直方向连接，此时机械振动源1沿着竖直方向振动与永磁体3的磁极连接线相同。
[0046]
可以理解的是，所述永磁体3的往复振动方向与所述永磁体3的磁极连接线方向相同除了上述举例说明的竖直方向和水平方向振动的情况外，所述永磁体3还可以沿其他方向振动，只要满足永磁体3的振动方向与永磁体3的磁极连接线方向相同即可。
[0047]
在另一实施例中，所述永磁体3的往复振动方向与所述永磁体3的正面垂直。
[0048]
具体的，请参阅图2，图2中的双箭头线为永磁体3的往复振动方向，所述永磁体3的正面定义为永磁体3向上的一面，可以理解的是，对于长方体形的永磁体3而言，其本身没有明确的正反面之分，本发明实施例中为了便于描述，将永磁体3向上的一面定义为正面，此处的向上为基于机械天线系统为坐标而言的向上。
[0049]
具体而言，图2所示的机械天线系统永磁体3的振动方向为竖直方向，所述永磁体3的正面为水平面，也即所述永磁体3的振动方向在竖直方向垂直于永磁体3的磁极连接线。所述永磁体3的往复振动方向与所述永磁体3的正面垂直，从而所述永磁体3产生的磁通量密度更大，低频信号更强。
[0050]
可以理解的是，图2仅为本实施例的一示意图，所述永磁体3往复振动方向与所述永磁体3的正面垂直除了图2所示，例如还可以为与图2所示的区别仅在于永磁体3竖直连接在所述连接器2上，即所述永磁体3的正面为竖直面，此时所述永磁体3沿着水平方向振动与永磁体3的正面方向垂直。
[0051]
例如还可以为与图2所示的区别在于机械振动源1、连接器2和永磁体3为竖直方向连接，此时永磁体3沿着水平方向振动与永磁体3的正面垂直。
[0052]
可以理解的是，所述永磁体3的往复振动方向与所述永磁体3的正面垂直除了上述举例说明的竖直方向和水平方向振动的情况外，所述永磁体3还可以沿其他方向振动，只要
满足永磁体3的振动方向与永磁体3的正面垂直即可。
[0053]
可选地，所述机械振动源1的振动方程为asin(2π
×
f
×
t)，其中f为振动频率，a为振幅。所述机械振动源1为正弦振动，使得永磁体3产生正弦变化的电磁波，可以保证发射信号的稳定。
[0054]
可选地，所述振动频率为300
‑
30000hz。
[0055]
具体的，3～30hz为极低频信号，30～300hz为超低频信号，300～3000hz为特低频信号，3000～30000hz为甚低频信号，30000～300000hz为低频信号，振动频率为300
‑
30000hz之间机械振动源1更易实现，在其他实施例中，振动频率也可以为其他低频频率，在此不做限定。
[0056]
可选地，所述永磁体3为ndfeb型永磁体3，长为4cm～10cm，宽为1～3cm，高为0.5
‑
1.5cm，所述永磁体3的磁极在其长边的两端。例如ndfeb型永磁体3的长度可以为(4，5，6，7，8，9或10)cm或4cm～10cm之间的任一值。ndfeb型永磁体3的宽度可以为(1，2或3)cm或1～3cm之间的任一值。ndfeb型永磁体3的高度可以为(0.5，1.0或1.5)cm或0.5
‑
1.5cm之间的任一值。ndfeb永磁体是目前磁性最强的永磁材料，其磁场强度可达106a/m以上。
[0057]
进一步地，所述ndfeb型永磁体长为6cm，宽为2cm，高为1cm。
[0058]
可选地，所述连接器2为高分子聚合材料，所述连接器2具有绝缘性。
[0059]
通过具有绝缘性的连接器2连接机械振动源1和永磁体3，可以防止机械振动源1的金属影响永磁体3的磁性，提高机械天线系统的可靠性。
[0060]
在一实施例中，请参阅图1，所述连接器2朝向所述永磁体3的一端设置有安装槽，所述永磁体3的一长端与所述安装槽过盈配合，所述连接器2背向所述安装槽的一端连接所述机械振动源1。通过在连接器2设置安装槽安装永磁体3，可以提高机械天线系统的稳定性。
[0061]
本发明还提供一种通信方法，使用上述所述的基于振动形式的永磁体机械天线系统。
[0062]
所述基于振动形式的永磁体机械天线系统可自由调节机械振动源1的振动频率来改变天线发射信号的频率，信号调制通常采用2fsk(频移键控)调制方式。2fsk是二进制数字频率调制，利用载波频率传输数字信息。
[0063]
下面将结合具体实施例对本技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本技术，而不应视为限制本技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
[0064]
实施例1
[0065]
如图2所示为实施例1的基于振动形式的永磁体机械天线系统，该系统包括永磁体3、机械振动源1和连接机械振动源1与永磁体3的连接器2。机械振动源1用以提供机械振荡动力，使得连接的永磁体3往复振动，振动方向垂直于永磁体3的正面，振动方程为asin(2π
×
f
×
t),其中频率f与振幅a可以自由调节。设定振幅a为3cm，永磁体是长为6cm，宽为2cm，高为1cm的长方体型ndfeb永磁体，调节机械振动源的振动频率f为300hz时，通过机械振动源带动永磁体振动，发射出特低频信号。
[0066]
实施例2
[0067]
如图3所示为实施例2的基于振动形式的永磁体机械天线系统，该系统包括永磁体
3、机械振动源1和连接机械振动源1与永磁体3的连接器2。机械振动源1用以提供机械振荡动力，使得连接的永磁体3往复振动，振动方向与永磁体3的磁极连接线一致，振动方程为asin(2π
×
f
×
t)，其中频率f与振幅a可以自由调节。设定振幅a为3cm，永磁体是长为6cm，宽为2cm，高为1cm的长方体型ndfeb永磁体，调节机械振动源的振动频率f为300hz时，通过机械振动源带动永磁体振动，发射出特低频信号。
[0068]
对比例1
[0069]
对比例1的机械天线系统为现有技术的旋转电机驱动永磁体转动的机械天线。旋转电机用以提供动力，使得连接的永磁体作旋转运动，永磁体是长为6cm，宽为2cm，高为1cm的长方体型ndfeb永磁体，调节旋转电机的转速为300r/s时，通过旋转电机带动永磁体振动，发射出300hz的特低频信号。
[0070]
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
[0071]
一、仿真条件
[0072]
仿真中设置实施例1和实施例2的机械振动源振动频率为300hz，对比例1的旋转电机的转速为300r/s，传输介质均为空气，其余环境均为理想状态，测试点距离振动的磁极距离为80cm。
[0073]
二、仿真内容
[0074]
仿真1，在上述仿真条件下仿真本发明实施例1的时域波形图，振动方向垂直于永磁体的正面，振动方程为asin(2π
×
f
×
t)。设定振幅a为3cm，频率f为300hz，结果如图4可以看出，实施例1的特低频的机械天线系统产生的时域波形为正弦函数形式，在距离永磁体磁极80cm处的磁通密度最大可达到4*10
‑3t，发送特低频信号。
[0075]
仿真2，在上述仿真条件下仿真本发明实施例2的时域波形图，振动方向与永磁体的磁极连接线一致，振动方程为asin(2π
×
f
×
t)。设定振幅a为3cm，频率f为300hz，结果如图5可以看出，实施例2的特低频的机械天线系统产生的时域波形为正弦函数形式，在距离永磁体磁极80cm处的磁通密度最大可达到3.8*10
‑4t，发送特低频信号。
[0076]
仿真3，在上述仿真条件下仿真对比例1的时域波形图，使得连接的永磁体作旋转运动，调节旋转电机的转速为300r/s时，通过旋转电机带动永磁体振动，发射出特低频信号，结果如6所示，图6可以看出，对比例1的特低频的机械天线系统产生的时域波形为正弦函数形式，在距离永磁体磁极80cm处的磁通密度最大可达到4*10
‑4t，发送特低频信号。
[0077]
根据仿真结果可知，本发明技术方案的基于振动形式的永磁体机械天线系统产生的磁通密度比现有技术的旋转电机驱动永磁体的机械天线系统产生的磁通密度更大(实施例1)或几乎差不多(实施例2)，其中，磁通密度即磁感应强度，单位为特斯拉(t)，磁通密度越大，说明传播信号强度越强，证明本发明技术方案的基于振动形式的永磁体机械天线系统发射的低频信号比现有技术的机械天线系统发射的低频信号更强或者至少发射信号的强度相当。
[0078]
同时本发明技术方案的基于振动形式的永磁体机械天线系统发射的电磁波频率通过机械振动源的振动频率调节，机械振动源的振动频率与电磁波的发射频率相同，从而本发明技术方案的天线系统不需要使用旋转电机，不会有旋转电机安装不稳固而旋转脱离的危险，安全性高，且该机械天线系统使用寿命长，天线设备安装更简单，不需要固定旋转电机。
[0079]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。
[0080]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。