一种高效传输和调制的超低频天线发射系统

本发明属于超低频通信，具体涉及一种高效传输和调制的超低频天线发射系统。

背景技术：

1、超低频天线发射系统是利用超低频电磁波进行无线通信。超低频电磁波具有传播距离远、穿透能力强、抗干扰能力强以及天气影响小等特点。相同前提条件下，在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。并且在水下通信领域具有很大的应用潜力。

2、显然超低频通信在跨介质等领域具有很明显的优点，但在超低频通信研究过程中仍发现了很多问题。目前最大的难题是如何产生持续高效率的超低频电磁波以及体积小易携带的发射机。

3、国防科技大学第六十三研究所周强等人在《旋转永磁式机械天线的研究与实现》文章中指出传统的超低频天线通过传导电流产生辐射电磁场。通常采用长导线或者大型绕组的形式，以便增加接收和发送效果。并且它们的尺寸通常与接收或发送的超低频信号的波长相对应，以确保最佳的匹配和效率。因此在军事方面，由于超低频天线的成本很高，大尺寸并且不可移动很容易遭受损害等缺点，激发了对超低频天线设计新方法的需求。

4、基于机械天线的超低频波段的电磁波，解决了小尺寸的远程超低频通信系统的难题。目前旋转永磁式机械天线的调制方式是通过电机改变旋转频率实现的，但电机带动大的永磁体所需要的扭矩和功率很大，并且消耗的能量也很多，使得这种调制方式的效率很低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种高效传输和调制的超低频天线发射系统。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种高效传输和调制的超低频天线发射系统，包括永磁体、压电材料2、磁致伸缩材料3、感应线圈4、导线、永磁体夹具9和伺服电机10；

4、旋转永磁体8通过永磁体夹具9固定，伺服电机10带动永磁体夹具9旋转，并在外部空间产生时变磁场；

5、磁致伸缩材料3位于压电材料2上，位于压电材料2和磁致伸缩材料3两侧的第一永磁体1和第二永磁体7为磁致伸缩材料3提供偏执磁场；感应线圈4通过导线与感应线圈4相连，感应线圈4接收到旋转永磁体8辐射出来的时变磁感应强度而产生时变电场，并将产生的交流电压输送给压电材料2而产生振动，压电材料2上侧的磁致伸缩材料3发生共振，从而产生时变磁场。

6、上述高效传输和调制的超低频天线发射系统中，感应线圈4通过接收旋转永磁体8的时变磁场，根据电磁感应现象，将感应电压传递给压电材料2，从而使其发生振动，磁致伸缩材料3发出时变磁场，两个时变磁场复合叠加，增加辐射强度。高效传输和调制的超低频天线发射系统是不需要改变电机转速来降低调制效率而实现调制，而是通过对磁电天线不断的通断电，从而改变叠加的辐射强度来实现调制。

7、永磁体材料选择ndfeb，永磁体的剩磁为0.8t，体积为22.5mm3。

8、压电材料2选择pzt-5，磁致伸缩材料选择terfenol-d；压电材料2和磁致伸缩材料3的长分别为0.22m和0.2m，宽相同为0.02m，总厚度为0.003mm，其中压电材料厚度占22％，磁致伸缩材料厚度占78％；将其设计为同一个工作频率，并且相同频率下，磁电天线的辐射强度要相同或略大于旋转永磁体的辐射强度，从而增强辐射强度。还可以通过改变磁电天线的通断路，使其总的辐射强度发生改变，实现调幅调制，代替了原有低效率的调频调制。

9、本发明基于磁电天线和旋转永磁体的高效传输和调制的超低频天线发射系统，通过电机带动永磁体旋转，使用机械的方式作为激励，且相比于传统超低频天线效率更高。通过电磁感应现象，使用压电材料和磁致伸缩材料持续激发时变磁场，提高了整体系统的辐射强度。同时，通过改变压电材料和磁致伸缩材料的大小以及感应线圈的匝数以及接收面积，进而改变辐射强度，进行调幅调制。解决了对电机的高扭矩、高功率的要求。

10、本发明的有益效果：

11、1.本发明装置采用超低频通信，传播距离远，穿透性强，跨介质传播时损耗小，且抗干扰能力强。

12、2.本发明系统中旋转永磁体可以实现与压电材料和磁致伸缩材料相同频率发射时变磁场，且旋转永磁体既可以作为发射源又可以作为压电材料和磁致伸缩材料的驱动源。

13、3.本发明系统中采用旋转永磁体和磁电天线复合发射时变磁场，可以改变永磁体的大小、感应线圈的面积和匝数以及磁电天线的大小，从而实现调频调制与调幅调制，并且不需要考虑自身阻抗匹配。

14、4.本发明装置中采用旋转永磁式天线以及磁电天线两种机械天线复合，既增大辐射磁场，又可以完成高效的调制，从而达到通信的目的。

技术特征：

1.一种高效传输和调制的超低频天线发射系统，其特征在于，该高效传输和调制的超低频天线发射系统包括永磁体、压电材料(2)、磁致伸缩材料(3)、感应线圈(4)、导线、永磁体夹具(9)和伺服电机(10)；

技术总结
一种高效传输和调制的超低频天线发射系统，包括伺服电机、永磁体、感应线圈、磁致伸缩材料、压电材料。伺服电机带动永磁体旋转，并且将两块永磁体静止放置于压电材料和磁致伸缩材料两侧，压电材料与磁致伸缩材料粘接，感应线圈与压电材料相连。本发明的超低频天线发射系统通过旋转永磁体产生时变磁场，感应线圈通过电磁感应现象产生感应电流，从而激励压电材料，使压电材料变形驱动磁致伸缩材料产生时变磁场，进而使得两个时变磁场叠加提高发射信号强度，同时通过对压电材料通断电，改变发射信号强度，从而完成高效调制。本发明可通过增大永磁体的体积；提高感应线圈的匝数和接收面积；增大压电磁致伸缩材料尺寸提高发射系统辐射强度。

技术研发人员：王晓煜,崔东宁
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15