一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法

本发明涉及机械天线，尤其涉及一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法。

背景技术：

1、超低频(slf，super low frequency)电磁波指的是频率介于30hz与300hz间的电磁波，在跨介质信息传输场景下，slf电磁波在海水等高损耗介质中具有时延小、传输衰减小、隐蔽性强等优点，因此，slf电磁波在水下通信等方面具有较大的发展前景。然而，传统的slf电天线受辐射效率与物理尺寸关系的制约，普遍存在天线体积庞大、功耗巨大、辐射效率差等缺点。

2、为了解决上述问题，相关技术中引入了机械天线的概念。机械天线的工作原理不同于传统电天线利用高频振荡电流产生电磁辐射的机制，而是在微观或宏观层面控制电偶极子或者磁偶极子的机械运动，在空间建立时变的电场或磁场来传播信息的一种新概念天线。机械天线的设计方法主要可以分为两类：一类是机械运动式机械天线，即宏观上控制驻极体或者永磁体做机械运动，另一类是应变驱动式机械天线，例如，利用压电材料和磁致伸缩材料构成的磁电耦合(me)式机械天线。

3、其中，对于第一类机械天线，相关技术中，在驱动驻极体或者永磁体的运动的实现上，目前普遍的做法是使用电机进行驱动，使驻极体或者永磁体做圆周运动，产生频率与电机的旋转频率相同的圆极化电磁波；然而，受到永磁体体积、质量和电机驱动做圆周运动的限制，天线信号的调制速率大约为1～2bps，调制速率较低；另外，由于旋转式永磁体为全向辐射，方向性较差。而对于第二类机械天线，由于me式机械天线的材料自身谐振频率较高，可以达到khz级别，甚至达到mhz级别；因此，这一类机械天线很难应用于slf通信领域。

4、因此，如何提高应用于slf通信领域机械天线的辐射能力和方向性，是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法，能够使机械天线在适用于slf通信领域的基础上，提高机械天线的辐射能力和方向性，同时兼顾较高的调制速率。

2、本发明实施例提出了一种摆动永磁体式机械天线阵列，包括一维阵列；所述一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；所述一维阵列结构表示为：

3、

4、其中，为永磁体静止时的磁化矢量，为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为一维阵列中阵元个数。

5、上述方案中，所述一维阵列数量为多个，多个一维阵列构成二维阵列；所述二维阵列为多个一维阵列呈辐射状均匀分布构成的第一二维阵列，或者，所述二维阵列为多个一维阵列相互平行构成的第二二维阵列；其中，

6、所述第一二维阵列结构表示为：

7、

8、其中，为永磁体静止时的磁化矢量，为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第一二维阵列中阵元个数，x为第一二维阵列中一维阵列的数量；

9、所述第二二维阵列结构表示为：

10、

11、其中，为永磁体静止时的磁化矢量，为永磁体转动轴矢量，//表示平行，/表示共线，n为第二二维阵列中阵元个数，a表示每个一维阵列中阵元数量，b表示一维阵列数量。

12、上述方案中，所述第一二维阵列数量为多个，多个第一二维阵列沿法向等间距平行排列构成第一三维结构。

13、上述方案中，所述第二二维阵列数量为多个，多个第二二维阵列沿法向等间距平行排列构成第二三维结构。

14、上述方案中，所述摆动永磁体式机械天线阵列通过固定机构固定设置在基板上，所述基板形状与所述摆动永磁体式机械天线阵列结构匹配；

15、所述机械天线单元包括偏置磁场外壳、激励线圈框架、激励线圈、转轴、永磁体和偏置磁铁；所述偏置磁场外壳为环形，所述激励线圈框架设于所述偏置磁场外壳内部，所述激励线圈沿所述激励线圈框架周向绕设在所述激励线圈框架外；所述转轴设于所述偏置磁场外壳围成的空间中并与所述激励线圈框架转动连接，所述永磁体设于所述转轴外圆周并与所述转轴同轴；所述偏置磁场外壳中与所述永磁体曲面对应的两个侧边均设置有凹槽，所述凹槽内设有与所述永磁体的曲面位置对应的偏置磁铁，所述偏置磁铁用于控制所述永磁体往复摆动的谐振频率。

16、上述方案中，所述偏置磁铁形状为片状，所述偏执磁铁轴线与所述永磁体轴线垂直，所述偏置磁铁用于沿轴向对所述永磁体进行磁化。

17、上述方案中，所述永磁体的极化方向为径向，所述永磁体的材质为钕磁铁(ndfeb)、钐钴(smco)或磁钢(alnico)。

18、本发明实施例还提供一种上述任一摆动永磁体式机械天线阵列的应用方法，该方法包括：

19、对所述摆动永磁体式机械天线阵列中每个机械天线单元施加交变激励信号，生成低频交流磁场；

20、利用所述低频交流磁场为对应机械天线单元中的永磁体施加交流磁转矩，使所述永磁体围绕平衡位置往复摆动。

21、上述方案中，所述天线单元包括设置在永磁体两侧的偏置磁铁，所述方法还包括：

22、利用所述偏置磁铁产生偏置磁场；

23、利用所述偏置磁场为对应永磁体提供约束磁转矩，控制对应永磁体摆动至平衡位置。

24、上述方案中，所述方法还包括：

25、调整所述偏置磁铁的数量，以调整所述偏置磁场的强度以及系统谐振频率；其中，所述系统谐振频率的范围为30hz～3000hz。。

26、综上，本发明具有以下有益效果：

27、(1)通过将多个机械天线单元按照一维阵列的方式排布，能够弱化阵元之间的动态磁场耦合，从而增加超低频机械天线的磁场辐射能力，并能实现阵列尺寸的小型化；进一步地，通过利用一维阵列构成二维阵列及三维结构，能够进一步增加超低频机械天线的磁场辐射能力和实现阵列尺寸的小型化；

28、(2)通过构成一维或者二维阵列，使机械天线能够兼顾较高的调制速率和更强的辐射能力，同时，摆动永磁体式机械天线单元的磁场分布具有方向性，从而使由机械天线单元构成所的述一维或二维阵列也具有更好的方向性，进而提高机械天线整体的方向性。

29、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

技术特征：

1.一种摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，包括一维阵列；所述一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；所述一维阵列结构表示为：

2.根据权利要求1所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述一维阵列数量为多个，多个一维阵列构成二维阵列；所述二维阵列为多个一维阵列呈辐射状均匀分布构成的第一二维阵列，或者，所述二维阵列为多个一维阵列相互平行构成的第二二维阵列；其中，

3.根据权利要求2所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述第一二维阵列数量为多个，多个第一二维阵列沿法向等间距平行排列构成第一三维结构。

4.根据权利要求2所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述第二二维阵列数量为多个，多个第二二维阵列沿法向等间距平行排列构成第二三维结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述摆动永磁体式机械天线阵列通过固定机构固定设置在基板上，所述基板形状与所述摆动永磁体式机械天线阵列结构匹配；

6.根据权利要求5所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述偏置磁铁形状为片状，所述偏执磁铁轴线与所述永磁体轴线垂直，所述偏置磁铁用于沿轴向对所述永磁体进行磁化。

7.根据权利要求5所述的摆动永磁体式机械天线阵列，其特征在于，所述永磁体的极化方向为径向，所述永磁体的材质为钕磁铁ndfeb、钐钴smc o或磁钢alnico。

8.一种权利要求1至7中任一项所述摆动永磁体式机械天线阵列的应用方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述天线单元包括设置在永磁体两侧的偏置磁铁，所述方法还包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本发明提供一种摆动永磁体式机械天线阵列及其应用方法，包括一维阵列，一维阵列包括多个机械天线单元；每个机械天线单元均包括往复摆动的永磁体，所述多个机械天线单元沿所述永磁体轴线方向均匀分布；多个一维阵列构成呈辐射状分布或平行分布可以构成二维阵列，多个结构相同的二维阵列沿法向等间距设置可以构成三维结构。本发明提供的方案，能够提高机械天线的辐射能力和方向性，兼顾高调制速率。

技术研发人员：储昭强,但卫,江施展,于辰圆
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15