一种磁电天线及其基于等效电路模型的调谐方法

1.本发明属于低频通讯领域，更具体地，涉及一种磁电天线及其基于等效电路模型的调谐方法。


背景技术：

2.磁电天线是一种基于振动磁偶极子直接产生电磁信号的新型低频机械天线，在岸对潜、水下和地下通信等领域具有巨大的发展潜力。
3.现有技术中，磁电天线一般为不可调整谐振频率的成品，其谐振频率随着加工完成而确定。磁电天线的工作原理与电天线不同，电学领域对电天线进行阻抗匹配的调谐方法也不能适用于磁电天线。因此，在不改变磁电天线辐射体结构的前提下，如何对其进行精确调谐，是目前亟需解决的难题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁电天线及其基于等效电路模型的调谐方法，可实现磁电天线的精确调谐。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于等效电路模型的磁电天线调谐方法，所述磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，调节后所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数满足：
[0006][0007][0008][0009]
其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，fh'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值，r为所述磁电天线的阻尼。
[0010]
进一步地，通过向所述负载添加质量来调节所述负载的总质量，所述负载自身的质量为m1，向所述负载添加的质量为m2，m1、m2满足：
[0011][0012][0013][0014]
进一步地，通过为所述磁电天线本体并联弹性材料来调节所述磁电天线本体的总弹性系数，所述磁电天线本体自身的弹性系数为k1，所述弹性材料的弹性系数为k2，k1、k2满足：
[0015][0016][0017][0018]
进一步地，所述弹性材料为弹力龙骨片。
[0019]
进一步地，通过多层天线贴合来调节所述磁电天线本体的总弹性系数。
[0020]
进一步地，所述磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述磁电天线本体的总弹力系数。
[0021]
进一步地，通过动态调节所述负载的质量、所述磁电天线本体的弹性系数使得所述磁电天线的谐振频率始终保持为频率调制所需的频率。
[0022]
按照本发明的第二方面，提供了一种磁电天线，所述磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，调节后所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数满足：
[0023][0024]
[0025][0026]
其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，fh'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值，r为所述磁电天线的阻尼。
[0027]
进一步地，所述磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述磁电天线本体的总弹力系数。
[0028]
进一步地，在所述密闭气体腔部的与所述电致伸缩部相对的另一端部设置有用于固定所述磁电天线本体的固定基座。
[0029]
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，可以实现磁电天线在生产定型之后的动态调谐，有利于优化偏离预定工作频率的天线，具有十分广阔的应用价值，例如对使用频率调制的磁电天线，可以在发信过程中，同步、动态地调整天线谐振频率，使天线时刻保持工作在谐振频点；对于有着远距离通信、大批量组阵需求的磁电天线，动态调谐技术能够将不同的天线阵元，调谐到相同的工作频点，提高阵列的辐射效率。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例的磁电天线的等效振动模型；
[0031]
图2是本发明实施例的磁电天线的等效电路模型；
[0032]
图3是本发明实施例的添加负载的磁电天线的等效电路模型；
[0033]
图4是本发明实施例的添加弹性材料的磁电天线的等效电路模型。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
本发明实施例中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
[0036]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0037]
本发明提供了一种磁电天线及其基于等效电路模型的调谐方法，以下分别进行说明。
[0038]
本发明实施例的一种基于等效电路模型的磁电天线调谐方法，首先通过磁电天线的振动模型，建立rlc串联谐振等效电路模型，将磁电天线的弹力系数、负载和阻尼分别等
效为电路中的物理量，以达成精确调谐的目的。
[0039]
磁电天线包括磁电天线本体和负载，磁电天线本体即为磁电天线除负载以外的部分，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，磁电天线的振动模型如图1所示。
[0040]
基于此振动模型，可知理想轻质磁电天线的谐振频率计算公式：
[0041][0042]
其中，m为理想轻质磁电天线的负载质量，k为想轻质磁电天线的弹力系数。基于式(1)，可以完成理想轻质磁电天线的定性调谐。例如，增加负载，频率降低；提高弹力系数，谐振频率升高。式(1)是建立在理想的线性轻质弹簧的基础上，不能直接应用于计算实际中的机械天线多阶谐振频率。
[0043]
但根据式(1)，可以进一步建立磁电天线的等效电路模型。将式(1)进一步改写为式(2)。
[0044][0045]
因为磁电天线的振动系统中，能量仅由天线振动消耗，所以将磁电天线的振动模型等效为串联谐振电路。因为磁电天线与弹力龙骨并联时，总弹力系数由二者弹力系数叠加而成，故式(2)中，k-1
可类比为电路中的电容；因为磁电天线的负载在增加时为串联式直接叠加，故m可类比为电路中的电感；天线本身阻尼类比为等效电阻；振幅类比为电路中的电流幅度。
[0046]
图2为磁电天线的等效电路模型。
[0047]
基于等效电路模型，可得磁电天线的谐振频率f(2)、下截止频率f
l
(3)、上截止频率fh(4)和带宽b(5)计算公式。
[0048][0049][0050][0051]
其中，r为所述磁电天线的阻尼，l＝m，c＝k-1
。
[0052]
通过调节负载的总质量、磁电天线本体的总弹性系数来调节磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值。
[0053]
调节后负载的总质量、磁电天线本体的总弹性系数满足：
[0054][0055]
[0056][0057]
其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，fh'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值。
[0058]
在不改变磁电天线辐射体结构的情况下，有多种可选的方式来调节负载的总质量或磁电天线本体的总弹性系数。
[0059]
例如，可以通过向负载添加质量的方式来改变负载的总质量。
[0060]
图3为添加负载的磁电天线的等效电路模型，r1为磁电天线等效电阻，l1为磁电天线等效电感，k1为磁电天线本体自身的弹性系数，m1为负载自身的质量，m2为向负载添加的物体(例如砝码)质量，l2为负载添加的物体的等效电感。图3中，满足：
[0061][0062][0063][0064]
还例如，通过为磁电天线本体并联弹力龙骨片等弹性材料的方式，来调节磁电天线本体的总弹性系数。
[0065]
图4为添加弹力龙骨片的磁电天线等效电路模型。c2为弹性材料的等效电容，k2为并联的弹性材料的弹性系数。
[0066]
满足：
[0067][0068][0069][0070]
例如，通过多层天线贴合来调节磁电天线本体的总弹性系数，即通过多个磁电天线本体并联来调节磁电天线本体的总弹性系数。
[0071]
当然，也可以同时调节负载的总质量、磁电天线本体的总弹性系数。m＝m1+m2，k＝k1+k2。
[0072]
在另一个实施例中，磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述
磁电天线本体的弹力系数。气压越大，弹力系数越高。
[0073]
密闭气体腔部，用于通过改变腔内的气压从而调节磁电天线本体的弹力系数，还用于在与电致伸缩部的交界面全反射电致伸缩部产生的机械振动波从而降低机械天线的机械能损耗。电致伸缩部包括电致伸缩材料本体和电极，用于通过将电极提供的电能通过电致伸缩材料本体转换为机械能。机械振动传导部，用于将来源于电致伸缩部的机械振动波传导给压磁部。压磁部，用于将通过机械振动传导部传导过来的机械能转换为磁能。
[0074]
上述基于等效电路模型的磁电天线调谐方法，具有十分广阔的应用价值。例如对使用频率调制的磁电天线，可以在发信过程中，同步、动态地调整天线谐振频率，使天线时刻保持工作在谐振频点，即通过动态调节所述负载的质量、所述磁电天线本体的弹性系数使得所述磁电天线的谐振频率始终保持为频率调制所需的频率。另外，对于有着远距离通信、大批量组阵需求的磁电天线，动态调谐技术能够将不同的天线阵元，调谐到相同的工作频点，提高阵列的辐射效率。
[0075]
仿真结果如下：
[0076]
以长为100mm、宽20mm、厚0.5mm的pzt-5h/metglas型磁电天线为例，经测量可得弹力系数为471720n/m。
[0077]
表1文中符号含义及数值
[0078][0079]
分别计算其砝码负载为0.03kg、0.06kg、0.09kg、0.12kg时的谐振频率。
[0080]
表2不同机械负载条件下的固有频率计算结果
[0081][0082]
通过添加龙骨式弹片和多层天线贴合的方式改变天线模型的弹力系数分别为：535000n/m、830000n/m、890000n/m、1000000n/m、1500000n/m分别计算其负载为0.03kg时的谐振频率。计算结果如表3所示。
[0083]
表3不同弹力系数条件下的固有频率计算结果
[0084][0085]
实验得到待测试样品在不同机械负载条件下的谐振频率。测试结果如表4所示。
[0086]
表4不同机械负载条件下的固有频率测试结果
[0087][0088]
实验结果与理论结果相符，随着机械负载的升高，机械天线谐振频率随之下降。在目前的实验室条件下，能够进行-50％～0的频点调整；通过更换不同的机械负载条件，例如更换拉力更大的弹簧，提高固定约束模块的位移上限等，理论上天线的谐振频点能够接近0hz；在不同的机械负载条件下，天线振动的带宽能够保持稳定。
[0089]
实验得到待测试样品在不同弹性系数下的谐振频率如表5所示。
[0090]
表5不同弹力系数条件下的固有频率测试结果
[0091][0092]
根据实验结果可知，随着机械天线弹力系数的提高，谐振频点随之上升，这与理论结果相符。在实验室条件下，通过调整天线弹力系数的方式，能够对天线谐振频率进行0～75％的调整，扩展0～207％的带宽；通过更换不同的弹力系数条件，例如更换弹力系数更大的龙骨，增加天线的复合层数等，理论上频点偏移范围和带宽能够实现更大幅度提升。
[0093]
本发明另一实施例的磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，调节后所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数满足：
[0094][0095][0096][0097]
其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，fh'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值。
[0098]
进一步地，所述磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述磁电天线本体的总弹力系数。
[0099]
进一步地，所述磁电天线在所述密闭气体腔部的与所述电致伸缩部相对的另一端部设置有用于固定所述磁电天线本体的固定基座。
[0100]
上述磁电天线的原理、效果与上述磁电天线调谐方法的原理、效果相同，此处不在赘述。
[0101]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于等效电路模型的磁电天线调谐方法，其特征在于，所述磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，调节后所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数满足：所述磁电天线本体的总弹性系数满足：所述磁电天线本体的总弹性系数满足：其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，f
h
'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值，r为所述磁电天线的阻尼。2.如权利要求1所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，通过向所述负载添加质量来调节所述负载的总质量，所述负载自身的质量为m1，向所述负载添加的质量为m2，m1、m2满足：满足：满足：3.如权利要求1所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，通过为所述磁电天线本体并联弹性材料来调节所述磁电天线本体的总弹性系数，所述磁电天线本体自身的弹性系数为k1，所述弹性材料的弹性系数为k2，k1、k2满足：满足：满足：
4.如权利要求3所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，所述弹性材料为弹力龙骨片。5.如权利要求1所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，通过多层天线贴合来调节所述磁电天线本体的总弹性系数。6.如权利要求1所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，所述磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述磁电天线本体的总弹力系数。7.如权利要求1所述的磁电天线调谐方法，其特征在于，通过动态调节所述负载的质量、所述磁电天线本体的弹性系数使得所述磁电天线的谐振频率始终保持为频率调制所需的频率。8.一种磁电天线，其特征在于，所述磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，调节后所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数满足：数满足：数满足：其中，m为调节后负载的总质量，k为调节后磁电天线本体的总弹性系数，f
h
'为所述上截止频率的目标值，f
l
'为所述下截止频率的目标值，b'为所述带宽的目标值，r为所述磁电天线的阻尼。9.如权利要求8所述的磁电天线，其特征在于，所述磁电天线本体包括沿预设方向依次设置的密闭气体腔部、电致伸缩部、机械振动传导部和压磁部，通过改变所述密闭气体腔部腔内的气压来调节所述磁电天线本体的总弹力系数。10.如权利要求9所述的磁电天线，其特征在于，在所述密闭气体腔部的与所述电致伸缩部相对的另一端部设置有用于固定所述磁电天线本体的固定基座。

技术总结
本发明公开了一种磁电天线及其基于等效电路模型的调谐方法，所述磁电天线包括磁电天线本体和负载，所述负载设于所述磁电天线本体的端部，通过调节所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数来调节所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽，使得所述磁电天线的上截止频率、下截止频率和带宽达到目标值，通过建立所述磁电天线的RLC串联谐振等效电路模型，所述负载的总质量、所述磁电天线本体的总弹性系数可通过计算公式精确计算。本发明可实现磁电天线的精确调谐。明可实现磁电天线的精确调谐。明可实现磁电天线的精确调谐。


技术研发人员：王世宇 张嘉雨 窦高奇 李丽华 冯士民
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/23