一种极化可控声激励天线的制作方法

1.本发明涉及超低频(30hz
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300hz)天线设计的优化方案，特别是声激励天线的极化控制，用以控制超低频声激励天线的极化特性，提高声激励天线设计的灵活性。


背景技术：

2.传统超低频天线是水下通信，甚至是水下探测的主要组成部分，其主要用于全球监测、地下通信、探矿和水下通信和探测等领域。然而，传统的超低频天线尺寸和波长相比拟，特别是超低频发射天线，其尺寸绵延几公里至数十数百公里，严重限制了超低频天线的应用。传统的超低频发射天线主要采用金属结构，且通过缠绕或者弯折等形式设计和部署，并将天线的电流转化为电磁辐射。
3.近年来，随着超低频个人通信，水下通信，空天海一体化建设的需求，超低频天线设计朝着小型化的方向发展，期待可以安装在移动和空天设备上，以实现多域通信的互联互通。然而，传统的超低频天线受限于现有的超低频天线工作原理，虽然天线的尺寸可以做的很小，但是天线的增益和效率很低，且无法实现机载和个人通信的背负使用。随着新材料和新技术的发展，压电材料可以作为新型的技术实现声波到机械波，再到电磁波的转化，进而实现超低频天线的小型化，实现超小超低频声激励天线的设计，挑战相同尺寸下传统天线的尺寸、增益和效率，实现超低频天线的毫米级设计，促进超低频在个人背负通信、水下通信和空海通信的应用。


技术实现要素：

4.针对目前超低频小型化和机动性不足，本发明的目的在与提出一种极化可控声激励天线，以实现小型化设计，且比同尺寸的传统超低频天线的性能优越，同时所设计的超低频声激励天线具有极化可控性。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种极化可控声激励天线，所述声激励天线包括两对正负电极和十字形压电材料；两对正负电极分别安装在十字形压电材料的“十”字四端，一对正负电极与水平垂直，另一对正负电极与水平平行，两对正负电极分别与电源链接，所述两对正负电极的正电极在十字形压电材料的上表面，所述两对正负电极的负电极在十字形压电材料的下表面，所述的两对正负电极可以控制十字形压电材料的振动，产生声致机械波，进而产生声激励电磁波，通过控制两对正负电极电压的相位和幅度，产生不同相位的机械波，从而实现线极化、圆极化和椭圆极化的电磁波辐射；
7.若两对正负电极的电压幅度和相位一致，则十字形压电材料产生颤振加强的机械波，进而产生单一线极化的辐射电磁波，实现单一线极化声激励天线设计，且二者波形相互叠加，增益增强；
8.若两对正负电极其中一对不工作，则十字形压电材料产生水平或垂直颤振的机械波，进而产生单一线极化辐射电磁波，实现单一线极化声激励天线设计；
9.若两对正负电极的幅度一致，相位相差90度，则十字形压电材料产生正交颤振的机械波，进而产生圆极化的辐射电磁波，实现圆极化声激励天线设计；
10.若两对正负电极的幅度不一致，相位相差若干度，则十字形压电材料产生椭圆极化的辐射电磁波，实现椭圆极化声激励天线设计；
11.两对正负电极在十字形压电材料的“十”字四端上表面全部连接正电极，十字形压电材料的“十”字四端下表面全部连接负电极，实现单一线极化电磁波的辐射，且该结构存在四个谐振腔，增强声激励天线的韧性，进而实现更低频率的电磁波辐射。
12.所述声激励天线的尺寸单元小于200mm，厚度小于4mm；
13.所述的十字形压电材料为压电陶瓷或者压电铌酸锂晶片；
14.所述十字形压电材料的制备采用浆料成型技术设计，两对正负电极采用电镀的方法。
15.所述的声激励天线的压电材料为一张200mm的薄膜，且呈“十”字形结构，通过控制两对电极的电压和相位控制压电材料的颤振，产生机械波，进而在压电材料薄膜的表面产生电荷产生电磁波。
16.所述的声激励天线的大尺寸压电材料为压电陶瓷，其制备采用的是浆料成型技术，该技术的关键环节主要包含以下四个部分：粉体型态控制、浆料配置、成型控制和烧结工艺控制。基于kdc法或模板法系统研究微观型态可控的压电陶瓷粉体，建立相应的粉体制备工艺流程；而后，系统研究分散剂、粘结剂、粉体型态对于浆料性状的影响规律，电泳参数、成型磨具渗漏状态、成型过程中外界压力状态、溶剂挥发速率等坯材性状的影响规律，建立浆料配制和坯材成型工艺流程；最后，系统研究烧结制程，如升温速率、排胶温度与时间、烧结温度与时间等，建立烧结工艺流程。
17.所述声激励天线两对正负电极可以通过外界电源控制，实现正交模式谐振激励，以实现双极化设计；还可以控制两个电极的相位和幅度实现圆极化和椭圆极化设计。
18.所述声激励天线可以通过控制电压和十字形的尺寸，实现压电材料模式的控制，实现不同频率的控制，设计频率可重构的声激励超低频天线。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明所设计的一种极化可控声激励天线在发射信号时，通过电压激励压电材料，使压电材料产生机械颤振，在表面集聚电荷，足够的电荷产生电磁波，实现声波
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机械波
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电磁波的转化，进而将信号通过电磁波的形式辐射出去。在接收端，利用磁声和电声将电磁信号转化为声信号，再用声波谐振的方式接收，还可以采用小型化的有源圆环天线接收声激励天线的发射信号。由于体表面谐振的原理，本发明所采用的压电材料可以根据电压的控制产生不同的模式，进而实现不同频率的电磁波的产生。此外，由于声激励方式的存在和压电材料的模式的控制，声速相比与光速，其传播速率大大降低，导致同尺寸声激励天线的尺寸比传统天线尺寸缩减4
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5个量级，而压电特性的存在，进一步的缩减了天线的尺寸，使所设计的超低频声激励天线的尺寸缩减至毫米级，有效的解决了传统天线尺寸与天线性能之间的矛盾，便于所设计的声激励天线在移动平台上的机动安装。所设计的一种极化可控声激励天线还可以快捷实现线极化、圆极化、双极化和椭圆极化的设计，并突破了传统超低频天线难以小型化的瓶颈，极大的满足了新型装本对高性能超低频天线的迫切需求。
21.本发明的极化可控声激励天线可以应用到天线的小型化领域，利用压电材料的声
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机械
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电磁波的转换机制，设计超低频的声激励天线，取代传统天线的电场与电磁场之间的交换方式，通过控制电压的相位和幅度可以实现声激励天线的极化可控，为超低频天线的小型化和移动灵活运用提供了新的设计方法。本发明在实现超小型超低频天线设计的同时比传统的电小天线具有更优越的性能，可以实现水下和空天的互联。
附图说明
22.图1为一种极化可控声激励天线的结构图；
23.图2为一种极化可控声激励天线的俯视图；
24.图3为一种极化可控声激励天线的侧视图；
25.图4为一种极化可控声激励天线的底视图。
具体实施方式
26.为了实现超低频天线的超小化设计和极化可控，本发明一种极化可控声激励天线由压电材料和两对正负电极构成，基于压电材料的声
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机械波
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电磁波的转化，产生的电磁波向外辐射，实现电磁波的发射和接收。所设计的可控声激励天线发射信号时，电压加载情况下压电材料产生颤振，表面集聚电荷，进而产生电磁波向外辐射，从而实现信号的发射。
27.以下结合附图和具体的实施案例对本发明进行详细的阐述。
28.图1为本发明的一种极化可控声激励天线的结构，如图1
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4所示，包括两对正负电极1,2和3,4、十字形压电材料5，两对正负电极分别安装在十字形压电材料的“十”字四端，一对正负电极1,2与水平垂直，一对正负电极3,4与水平平行。所述的两对正负电极可以控制压电材料的振动，产生声致机械波，进而产生声激励电磁波，通过控制两对电极的电压，产生不同相位的机械波，实现线极化、圆极化和椭圆极化的电磁波辐射。两对正负电极直接与十字形压电材料的“十”字四端相连，且两对正负电极的正电极直接黏贴在十字形压电材料的上表面6，负电极安装在十字形压电材料的下表面7。利用压电材料的机械
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电磁场的转化，产生低频电磁波，实现信号的发送和接收。该天线的尺寸单元小于200mm，厚度小于4mm，可以通过模式控制覆盖超低频频段。
29.所述的压电材料为压电陶瓷或者压电铌酸锂晶片，其制备采用浆料成型技术设计，电极采用电镀的方法实现，采用压电陶瓷作为压电材料，其成本低，且技术比较成熟。
30.所述的两对正负电极1,2和3,4直接安装在压电材料的“十”字四端，通过控制两对正负电极电压的幅度和相位，使天线的极化发生改变，并进行控制，具体有一下几种情形：
31.1.电极1,2和电极3,4的幅度和相位一致，电极1为正极，电极2为负极，电极3为正极，电极4为负极，则压电材料产生颤振加强的机械波，进而产生单一线极化的辐射电磁波，实现单一线极化声激励天线设计，且二者波形相互叠加，增益增强。
32.2.电极1,2工作，而电极3,4不工作，则压电材料产生水平颤振的机械波，进而产生单一线极化辐射电磁波，实现单一线极化声激励天线设计。反之，电极3,4工作，电极1,2不工作，则压电材料产生垂直颤振的机械波，进而产生单一线极化辐射电磁波，实现单一线极化声激励天线设计。
33.3.电极1,2和电极3,4的幅度一致，相位相差90度，电极1为正极，电极2为负极，电
极3为正极，电极4为负极，则压电材料产生正交颤振的机械波，进而产生圆极化的辐射电磁波，实现圆极化声激励天线设计。
34.4.电极1,2和电极3,4的幅度不一致，相位相差若干度，电极1为正极，电极2为负极，电极3为正极，电极4为负极，则压电材料产生椭圆极化的辐射电磁波，实现椭圆极化声激励天线设计。
35.5.本发明的两对正负电极在压电材料的“十”字四端上表面全部连接正电极，压电材料的“十”字四端下表面全部连接负电极，可以实现单一线极化电磁波的辐射，且该结构存在四个谐振腔，可以增强声激励天线的韧性，进而实现更低频率的电磁波辐射。
36.6.本发明的压电材料还可以采用其它形式的压电材料，如压电铌酸锂材料。
37.本发明采用压电材料实现极化可控声激励天线设计，是一种全新的超低频天线，实现全新信号发射的超小型超低频声激励天线，由于压电材料的机械振动产生谐振，在表面集聚电荷，产生电磁波，实现声
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机械波
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电磁波的转换，在声频率波段实现天线设计，且可以实现极化可控。该天线工作频段在声波频段，而不是电磁波的谐振频率，在统一频率下，所设计的超小超低频极化可控声激励比传统的同频电天线尺寸上缩减至少4个数量级，大大减小了超低频天线的尺寸，使超低频天线可以安装在飞机、水下uuv上，实现超低频天线的机动部署。
38.本发明上述的实施实例仅仅是为了说明本发明的实际应用进行举例，而并非不对本发明实施方式的限定。对于所述技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以实现其它形式的基于压电材料的超低频天线设计，实现不同极化和不同频率的设计。这里无法对所有的实施方式进行穷举。凡是属于本发明的技术方案所引出的显而易见的不同天线结构和天线形式仍属于本发明的保护范围。