一种可调谐的甚低频磁电天线及其制备方法

1.本发明涉及低频长波通讯领域，尤其涉及一种可调谐的甚低频磁电天线及其制备方法。


背景技术：

2.天线是一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的结构，按照辐射机理的不同，可以将天线分为传统天线和机械天线两大类。传统天线依赖于谐振电路和振荡电流，通过电荷的加速运动向外辐射电磁波，由此带来的问题是天线辐射能力受天线电尺寸的限制，例如，工作在甚低频的传统天线体积庞大、功耗大、辐射效率低且需要庞大的阻抗匹配。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种可调谐的甚低频磁电天线及其制备方法。本发明所述甚低频磁电天线基于应变驱动式磁电天线新原理，结合磁电天线谐振时带动永磁体振动实现辐射性能的增益有望实现甚低频通信系统的突破，相较于传统天线，在体积、功耗、辐射效率等方面优势明显。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种可调谐的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电层、磁致伸缩层，所述磁致伸缩层包括第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层，分别设置在压电层上下两侧；所述压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘结形成复合结构。
6.进一步地，所述甚低频磁电天线还包括铝板，所述铝板通过树脂粘接于复合结构的一端。
7.进一步地，所述甚低频率磁电天线还包括铝板、永磁体ⅰ和永磁体ⅱ，所述复合结构的一端固定有永磁体ⅱ，另一端固定有铝板，铝板远离复合结构的一侧固定有永磁体ⅰ。
8.进一步地，所述第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层的表面均用银浆引出一根导线。
9.一种可调谐的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电层、磁致伸缩层、铝板，所述磁致伸缩层设置在压电层上下两侧；所述压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘结形成复合结构；所述铝板通过树脂粘接于复合结构的一端；所述磁致伸缩层的表面用银浆引出两根导线。
10.一种可调谐的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电层、磁致伸缩层、铝板、永磁体ⅰ和永磁体ⅱ，所述磁致伸缩层设置在压电层上下两侧；所述压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘结形成复合结构；所述铝板通过树脂粘接于复合结构的一端，所述复合结构的一端固定有永磁体ⅱ，另一端固定有铝板，铝板远离复合结构的一侧固定有永磁体ⅰ。所述磁致伸缩层的表面用银浆引出两根导线。
11.进一步地，所述永磁体1和永磁体2均为圆柱体，永磁体1的底圆直径大于永磁体2的底圆直径。
12.进一步地，所述压电层的材料为锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料或铌酸钾钠基压电材料中的一种。
13.进一步地，所述压电层的材料为锆钛酸铅基压电材料，所述锆钛酸铅基压电材料为pzt-4。
14.进一步地，所述磁致伸缩层的材料为metglas、terfenol-d、fega或fecob。
15.进一步地，所述磁致伸缩层的材料为metglas，所述磁致伸缩层包括20个metglas片层；metglas片层的厚度为21μm。
16.进一步地，所述永磁体的材料为铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、铁氧体永磁材料、钕铁硼系永磁合金中的一种或多种。
17.进一步地，所述永磁体的材料为钕铁硼磁铁。
18.进一步地，所述永磁体的厚度为1.5～2.5mm，优选2mm。
19.进一步地，表面用银浆引出两根导线，所述银浆涂覆于磁致伸缩层的远离压电层的一面；银浆的厚度为50μm。
20.进一步地，所述压电层的厚度为2mm。
21.进一步地，所述甚低频是指频率为3khz～30khz。
22.进一步地，铝板侧永磁体ⅰ直接通过环氧树脂粘接在铝板上，自由端永磁体ⅱ直接粘接固定在磁电复合结构上。
23.一种上述可调谐的甚低频磁电天线的制备方法，包括如下步骤：
24.(1)配置环氧树脂，备用；
25.(2)将制备的环氧树脂涂覆与磁致伸缩材料之间，制备得到第一磁致伸缩层，重复上述工艺得到第二磁致伸缩层，固化后备用；
26.(3)将第一磁致伸缩材料层与第二磁致伸缩材料层对称的粘接在压电材料上下表面，抽真空去除多余树脂，得到复合结构；
27.(4)用环氧树脂将复合结构的一端与铝板固定，另一端固定永磁体ⅱ。将永磁体ⅰ固定于铝板远离复合结构的一侧，最后在复合结构的上下表面涂导电银浆，上下表面的银浆层各引出一根导线，得到甚低频磁电天线。
28.本发明所制备的磁电天线是机械天线的一种，其通过压电材料的逆压电效应实现电能-机械能转换，然后压电材料通过耦合界面将机械能传递至磁致伸缩层，再通过磁致伸缩材料的压磁效应诱导磁矩变化来产生电磁辐射。由于磁电天线利用声波谐振的方式取代电磁谐振，且声波的波速远小于电磁波波速，故在相同频率下，磁电天线比传统天线更易实现小型化，实现天线尺寸与电磁波波长的解耦。除此之外，工作在谐振态的磁电天线阻抗自动接近50ω，无需复杂的阻抗匹配，在低频长波通讯领域更具优势。
29.由于磁致伸缩材料的强非线性，在实际使用时需要为其提供偏置磁场，以确保其处于线性工作区域。具体为：磁电复合材料两端的永磁体具有较高的剩余磁感应强度，通过调节永磁体的尺寸控制两永磁体间的磁场大小，从而确立最佳的偏置磁场实施条件。
30.本发明限定了铝板固定端的永磁体1的底圆直径大于自由端永磁体ⅱ，因为自由端的永磁体是紧贴着磁电材料的，越靠近永磁体，磁场越大。而固定端有铝板的的存在，磁电材料不是紧贴着永磁体，所以铝板侧永磁体要选的半径大一些，确保了两端可提供较为均匀的磁场。
31.本发明有益的技术效果在于：
32.本发明通过将永磁体与压电材料和磁致伸缩材料形成的复合结构相配合，通过在复合结构的两端均设置永磁体，协同铝板构造的悬臂梁结构，可以在调节磁电天线谐振频率的同时，借助于磁电复合材料谐振工作时带动永磁体的振动，从而提高了磁电天线的定向辐射性能。
33.本技术所用磁致伸缩材料中，metglas由于具有高磁导率、高压磁系数、低损耗，组装成器件时，相较于其它备选材料例如terfenol-d或fega合金，仅需提供较小的偏置磁场即可达到最优偏置磁场，从而有效减少器件体积并取得较高性能。所用压电材料中，pzt-4具有较其他压电材料更优的机械品质因素和较高的退极化温度，契合磁电天线需要在谐振态工作的条件，保证器件的优异性能和稳定性。本发明所用永磁体不仅能提供偏置磁场、调节谐振频率，还能进一步提高磁电天线的定向辐射性能。
附图说明
34.图1为本发明所述磁电复合结构示意图。
35.图中：1、磁致伸缩层；2、压电层。
36.图2为本发明可调谐的甚低频磁电天线的结构示意图。
37.图中：1、磁致伸缩层；2、压电材料；3、铝板；4、永磁体ⅰ；5、导线；6、永磁体ⅱ。
38.图3为本发明对比例1的磁电天线距离铝板不同位置的磁场模拟示意图。
39.图4为本发明中不同厚度永磁体制备的磁电天线在距离铝板不同位置的磁场强度。
40.图5为本发明实施例1-3的磁电天线调节谐振频率的模拟示意图。
41.图中：a、实施例2的自由状态磁电天线的阻抗谱；b、实施例3的悬臂梁结构磁电天线的阻抗谱；c、实施例1的添加永磁材料悬臂梁结构磁电天线的阻抗谱。
42.图6为本发明实施例1制备的可调谐的甚低频磁电天线的近场辐射图。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
44.一种可调谐的甚低频磁电天线的工作原理为：首先给压电材料施加电压，通过其逆压电效应实现电能-机械能转换，然后压电材料通过耦合界面将机械能传递至磁致伸缩层，再借助于磁致伸缩材料的压磁效应诱导磁矩变化来产生电磁辐射。此外，磁电复合材料工作时带动永磁材料剧烈振动，可以获得时变电磁场，形成多重增益，进一步提高磁电天线的定向辐射性能。
45.实施例1
46.一种可调谐的甚低频磁电天线，如图2所示，所述甚低频磁电天线包括压电层2、磁致伸缩层1(包括第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层)、铝板3、永磁体ⅰ4和永磁体ⅱ6，所述磁致伸缩层1设置在压电层2上下两侧，其中第一磁致伸缩层位于压电层2的上方，第二磁致伸缩层位于压电层2的下方；所述压电层2与磁致伸缩层1通过环氧树脂粘结形成复合结构；所述铝板3通过树脂粘接于复合结构的一端，形成悬臂梁结构，所述复合结构的另一端固定有永磁体ⅱ6，另一端固定有铝板3，铝板3远离复合结构的一侧固定有永磁体ⅰ4。所述磁致
伸缩层1的表面用银浆引出两根导线5，银浆的厚度为50μm。
47.上下磁致伸缩层的结构尺寸均为70
×6×
0.42mm3，压电层尺寸为70
×6×
2mm3。
48.每层磁致伸缩层由20片metglas粘接而成，压电材料选择长条状pzt-4，压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘接而成。
49.鉴于钕铁硼系永磁合金的磁学性能优异，剩余磁感应强度大，提供的直流偏场选择范围大，故在本发明实施例1中永磁体ⅰ4和永磁体ⅱ6均为钕铁硼永磁体。所述永磁体的厚度为2mm。
50.所述甚低频磁电天线的制备方法为：
51.配置环氧树脂，将环氧树脂a与固化剂b按照一定比例混合，搅拌后放入50℃烘箱中静置四分钟，然后继续沿一个方向不断搅拌直至混合均匀，备用。用无尘纸和酒精将每一层metglas擦拭干净，用刀片将环氧树脂均匀涂抹在metglas上，涂胶时保证胶层尽可能的薄，然后将20层尺寸为70
×6×
0.021mm3的metglas粘接到一起，制备得到一个磁致伸缩层，重复上述工作即可制备另一个磁致伸缩层，粘接好后将两份磁致伸缩层放入真空袋中，并在每份磁致伸缩层的上下表面各垫一层ptfe(聚四氟乙烯)膜，防止粘接，然后对其抽负压，放入烘箱中固化后，待其完全凝固后取出，用刀片刮去多余的环氧树脂。然后将两份磁致伸缩材料对称的粘接在压电材料上下表面，重复抽真空和刮去多余环氧树脂的过程得到复合结构。
52.利用环氧树脂将复合结构的一端固定上铝板3，另一端固定永磁体ⅱ6。将永磁体ⅰ4固定于铝板远离复合结构的一侧，在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。
53.实施例2
54.一种可调谐的甚低频磁电天线，如图1所示，所述甚低频磁电天线包括压电层2、磁致伸缩层1(包括第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层)。所述磁致伸缩层1设置在压电层2上下两侧，其中第一磁致伸缩层位于压电层2的上方，第二磁致伸缩层位于压电层2的下方；所述压电层2与磁致伸缩层1通过环氧树脂粘结形成复合结构；
55.上下磁致伸缩层的结构尺寸均为70
×6×
0.42mm3，压电层尺寸为70
×6×
2mm3。
56.每层磁致伸缩层由20片metglas粘接而成，压电材料选择长条状pzt-4，压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘接而成。
57.在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。银浆的厚度为50μm
58.所述甚低频磁电天线的制备方法为：
59.配置环氧树脂，将环氧树脂a与固化剂b按照一定比例混合，搅拌后放入50℃烘箱中静置四分钟，然后继续沿一个方向不断搅拌直至混合均匀，备用。用无尘纸和酒精将每一层metglas擦拭干净，用刀片将环氧树脂均匀涂抹在metglas上，涂胶时保证胶层尽可能的薄，然后将20层尺寸为70
×6×
0.021mm3的metglas粘接到一起，制备得到一个磁致伸缩层，重复上述工作即可制备另一个磁致伸缩层，粘接好后将两份磁致伸缩层放入真空袋中，并在每份磁致伸缩层的上下表面各垫一层ptfe(聚四氟乙烯)膜，防止粘接，然后对其抽负压，放入烘箱中固化后，待其完全凝固后取出，用刀片刮去多余的环氧树脂。然后将两份磁致伸缩材料对称的粘接在压电材料上下表面，重复抽真空和刮去多余环氧树脂的过程得到复合
结构。在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。
60.实施例3
61.一种可调谐的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电层2、磁致伸缩层1(包括第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层)、铝板3。所述磁致伸缩层1设置在压电层2上下两侧，其中第一磁致伸缩层位于压电层2的上方，第二磁致伸缩层位于压电层2的下方；所述压电层2与磁致伸缩层1通过环氧树脂粘结形成复合结构；磁电复合结构的一端固定在铝板3上，另一端处于自由状态，制成悬臂梁结构。
62.上下磁致伸缩层的结构尺寸均为70
×6×
0.42mm3，压电层尺寸为70
×6×
2mm3。
63.每层磁致伸缩层由20片metglas粘接而成，压电材料选择长条状pzt-4，压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘接而成。
64.在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。银浆的厚度为50μm
65.所述甚低频磁电天线的制备方法为：
66.配置环氧树脂，将环氧树脂a与固化剂b按照一定比例混合，搅拌后放入50℃烘箱中静置四分钟，然后继续沿一个方向不断搅拌直至混合均匀，备用。用无尘纸和酒精将每一层metglas擦拭干净，用刀片将环氧树脂均匀涂抹在metglas上，涂胶时保证胶层尽可能的薄，然后将20层尺寸为70
×6×
0.021mm3的metglas粘接到一起，制备得到一个磁致伸缩层，重复上述工作即可制备另一个磁致伸缩层，粘接好后将两份磁致伸缩层放入真空袋中，并在每份磁致伸缩层的上下表面各垫一层ptfe(聚四氟乙烯)膜，防止粘接，然后对其抽负压，放入烘箱中固化后，待其完全凝固后取出，用刀片刮去多余的环氧树脂。然后将两份磁致伸缩材料对称的粘接在压电材料上下表面，重复抽真空和刮去多余环氧树脂的过程得到复合结构。
67.利用环氧树脂将复合结构的一端固定上铝板，在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。
68.实施例4-5
69.实施例4-5与实施例1相同，不同仅在于实施例4中所用压电材料为铌镁酸铅基压电材料；所用磁致伸缩材料为terfenol-d，所用永磁体为铁铬钴系永磁合金，所用永磁体的厚度为1.5mm。其余均于实施例1相同。实施例5中所用压电材料为钛酸钡基压电材料；所用磁致伸缩材料为fega，所用永磁体为铝镍钴系永磁合金，所用永磁体的厚度为2.5mm。其余均于实施例1相同。
70.对比例：
71.一种可调谐的甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线包括压电层、磁致伸缩层、铝板和永磁体ⅱ，所述磁致伸缩层设置在压电层上下两侧；所述压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘结形成复合结构；所述铝板通过树脂粘接于复合结构的一端，所述复合结构的另一端固定有永磁体ⅱ，所述磁致伸缩层1的表面用银浆引出两根导线5。
72.上下磁致伸缩层的结构尺寸均为70
×6×
0.42mm3，压电层尺寸为70
×6×
2mm3。
73.每层磁致伸缩层由20片metglas粘接而成，压电材料选择长条状pzt-4，压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘接而成。所述永磁体ⅱ的材质为钕铁硼永磁体，厚度为2mm。
74.鉴于metglas优异的导电性能，可直接在磁电复合材料上下表面涂抹导电银浆，分
别用导线5在磁电天线两侧引出电极得到甚低频磁电天线。
75.所述甚低频磁电天线的制备方法为：
76.配置环氧树脂，将环氧树脂a与固化剂b按照一定比例混合，搅拌后放入50℃烘箱中静置四分钟，然后继续沿一个方向不断搅拌直至混合均匀，备用。用无尘纸和酒精将每一层metglas擦拭干净，用刀片将环氧树脂均匀涂抹在metglas上，涂胶时保证胶层尽可能的薄，然后将20层尺寸为70
×6×
0.021mm3的metglas粘接到一起，制备得到一个磁致伸缩层，重复上述工作即可制备另一个磁致伸缩层，粘接好后将两份磁致伸缩层放入真空袋中，并在每份磁致伸缩层的上下表面各垫一层ptfe(聚四氟乙烯)膜，防止粘接，然后对其抽负压，放入烘箱中固化后，待其完全凝固后取出，用刀片刮去多余的环氧树脂。然后将两份磁致伸缩材料对称的粘接在压电材料上下表面，重复抽真空和刮去多余环氧树脂的过程得到复合结构。
77.利用环氧树脂将复合结构的一端固定上铝板，另一端固定永磁体ⅱ。在磁电复合层的上下表面涂导电银浆，用银浆引出两根导线，得到甚低频磁电天线。
78.测试例：
79.偏置磁场强度测试：
80.本发明通过亥姆霍兹线圈测得实施例1制备的悬臂梁式磁电复合材料的最佳偏置磁场为38oe，故组装成磁电天线时，可以在磁电复合材料附近添加永磁体为其提供偏置磁场。
81.永磁体厚度的影响及磁电天线结构对磁场均匀性影响：
82.按实施例1所述的方法及机构构建5组磁电天线，所用永磁体ⅰ的半径均为7.5mm，厚度为2mm的钕铁硼磁铁，自由端永磁铁ⅱ均为半径为4mm的钕铁硼磁铁，五组磁电天线所用永磁体ⅱ的厚度分别为1，1.5，2，2.5，3mm，其余参数均相同的，通过调节自由侧永磁体厚度控制磁场大小以及均匀性，磁电天线的其他制备方法及结构同实施例1。如图4所示，测定磁电复合材料不同位置的偏置磁场大小，当自由端磁铁厚度为1.5-2.5mm时，提供的偏置磁场较为均匀，且接近38oe，当厚度控制为1mm或3mm时，永磁体ⅱ不能提供适合大小的磁场，造成整体偏置磁场的非均匀性，从而降低磁电天线的性能。图3为本发明对比例1的磁电天线距离铝板不同位置的磁场模拟示意图，由图3可知，对比例1采用单侧添加磁铁时，偏置磁场的强度随距离增大而急速下降，此种方法并未为磁致伸缩材料提供均匀的偏置磁场，在自由端的偏置磁场38oe，而在铝板固定侧的偏置磁场仅为2oe，明显小于实施例的偏置效果。
83.不同结构对比：
84.磁电天线需要工作在谐振频率下才能获得最佳辐射性能。通过有限元分析的方法，本发明评估了实施例2自由状态磁电复合材料、实施例3悬臂梁式磁电复合材料、实施例1添加永磁体的悬臂梁式磁电复合材料的谐振频率变化，以此说明本发明所述磁电天线工作在甚低频频段范围，以及可轻松实现调谐功能等特性。如图5(a)-(c)所示，自由状态磁电复合材料的工作频率24.6khz，悬臂梁式磁电复合材料的工作频率11.6khz，通过一端夹持的方式可以有效降低其谐振频率，当其添加永磁体时，谐振频率得到进一步降低，为11.13khz。可见采用悬臂梁结构与永磁体协同使用，降低了磁电天线的谐振频率。
85.近场辐射性能：
86.图6为磁电天线的近场辐射性能。由图6可知，与固定侧，即θ为180
°
的辐射情况相比，θ为0
°
时辐射的方向性更强，这是因为在磁电天线谐振时，自由端永磁体剧烈共振，对该方向上的辐射性能有一定的增益。
87.永磁铁对性能的影响：
88.实施例1和对比例1说明，当对比例不采用两个永磁铁时，由于磁致伸缩材料metglas的强非线性，在实际使用时需要为其提供偏置磁场，以确保其处于线性工作区域，因此对比例1的磁场强度较差，均匀性也较差。
89.上述实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用发明。熟悉本领域的技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并将在此说明的一般原理应用到其他实施例中。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的修改和改进都应在本发明的保护范围之内。