用于生成和传输ULF/VLF信号的系统和方法。一种用于生成和传输ULF/VLF信号的系统包括以阵列排列的多个MEMS发射器设备。每个发射器设备包括第一接地平面；梁，通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器，耦合到梁以在梁上产生应力；和第二接地平面，在梁上方间隔开。该系统还包括振动驱动级，可操作地耦合到每个发射器设备。振动驱动级同步地驱动每个发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动。每个驻极体也以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF/VLF信号。
System and Method for Generating and Transmitting ULF/VLF Signals
System and method for generating and transmitting ULF/VLF signals. A system for generating and transmitting ULF/VLF signals includes a plurality of MEMS transmitter devices arranged in arrays. Each launcher device includes a first grounding plane; a beam, coupled to the first grounding plane by anchors, extends the beam above the first grounding plane and separates it from the first grounding plane; a electret, coupled to the beam and separated from the first grounding plane; an electric bias actuator, coupled to the beam to generate stress on the beam; and a second grounding plane, separated above the beam. The system also includes a vibration drive stage operatively coupled to each transmitter device. The vibration driving stage synchronously drives each transmitter device so that each electret vibrates in a substantially vertical direction relative to the first and second ground planes. Each electret vibrates at the same modulation frequency to generate and transmit ULF/VLF signals.
【技术实现步骤摘要】
用于生成和传输ULF/VLF信号的系统和方法
技术介绍
从300Hz至3kHz变动的超低频（ULF）信号可以穿透诸如水、金属、土壤、岩石和建筑材料之类的传导介质穿透达数百米。由于这些材料中的相对大的趋肤深度（skindepth），其随着载波频率减少而增长，穿透是可能的。从3kHz至30kHz变动的甚低频（VLF）信号通常用于长距离通信，诸如在基站和位于世界另一边的潜艇之间。在防务团体（defensecommunity）中存在对于用于水下、地下和其他通信的便携式ULF/VLF发射器的大量兴趣。目前的ULF技术中采用了重达数百磅同时消耗数百千瓦的大电磁线圈，这使得它们不可能用于便携式部署。由于长波长和独特的应用，在ULF/VLF频带中的设备小型化和集成中几乎没有进步。因此，仍然没有可用的便携式ULF/VLF发射器。对于许多防务应用，在水下、地下或通过洞壁的通信能力是非常感兴趣的。
技术实现思路
公开了一种用于生成和传输ULF或VLF信号的系统。该系统包括布置在设备阵列中的多个MEMS发射器设备。MEMS发射器设备中的每个包括第一接地平面（groundplane）；具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚（anchor）耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器（biasdrive），耦合到梁并且被配置为在梁上产生应力；和第二接地平面，在梁上方间隔开。该系统还包括振动驱动级，可操作地耦合到每个MEMS发射器设备。振动驱动级被配置为同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动。每个驻极体也以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF或VLF信号。附图说明参照附图根据以下描述，本专利技术的特征对于本领域技术人员而言将变得清楚。应当理解，附图仅描绘了典型的实施例并且因此不应认为是对范围的限制，将通过附图的使用以附加的特征和细节来描述本专利技术，在附图中：图1是根据一个实施例的单个ULF/VLF发射器设备的横截面图；图2是根据一个实现的ULF/VLF发射器阵列的平面图；图3是根据一个实施例的ULF/VLF发射器阵列封装的横截面图，其中，振动驱动机构集成在封装内；图4是根据另一实施例的ULF/VLF发射器阵列系统的透视图，其中实现了外部振动驱动级用于驱动多个发射器阵列封装；和图5是根据另外的实施例的单个ULF/VLF发射器设备的横截面图，该单个ULF/VLF发射器设备利用集成的压电频率调谐来执行ULF/VLF信号调制。具体实施方式在以下详细描述中，足够详细地描述了实施例，以使本领域技术人员能够实践本专利技术。应该理解，在不脱离本专利技术范围的情况下，可以利用其他实施例。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。这里公开了用于提供同步驱动的高效率超低频（ULF）或甚低频（VLF）发射器的系统和方法。根据本方法的ULF/VLF发射器包括单独的微机电系统（MEMS）发射器设备或谐振器的阵列，其中的每一个包括安装在振动梁上的驻极体。发射器以独立的外部驱动源同步地控制在阵列中的所有谐振器的低振动频率，独立的外部驱动源可以被并入封装的发射器阵列内或可以在封装的发射器阵列外部生成。ULF/VLF信号的生成和传输可以通过使阵列中的垂直于接地平面的高电荷密度的驻极体振动来实现。随着驻极体振动，以振动频率辐射磁场。通过解耦来自各个发射器设备的外部驱动源的振动驱动，系统复杂性大大降低，这使能了高效的同步大阵列的操作。发射器设备的振动幅度也不受MEMS结构的驱动能力的限制，因此可以辐射更多的能量。此外，可以优化发射器设备，以在期望的ULF/VLF频率除谐振。本系统和方法提供了ULF生成和传输技术，它可以使能用于便携式地下和水下通信的微型无源发射器。通过利用高品质因数和低损耗的MEMS结构、高电荷密度驻极体和大幅度外部驱动机构，可以生产此类微型无源发射器。所提出的技术也可以用于VLF域中的、用于长距离通信的信号生成。下面参考附图描述本系统和方法的进一步细节。图1示出了根据一个实施例的单个ULF/VLFMEMS发射器设备100。发射器设备100包括第一接地平面110和具有下表面114和上表面116的梁112。锚118耦合在接地平面110和梁112的近端处的下表面114之间，使得梁112在接地平面110之上延伸并与接地平面110间隔开。驻极体120在梁112的远端处耦合到下表面114。驻极体120面对接地平面110并与其间隔开。电驱动器122耦合到梁112的上表面116，且被配置为通过电偏压在梁112上生成应力。第二接地平面124间隔在梁112上方。包括接地平面124以平衡驻极体120上的静电力。当通过电致动生成梁112上的应力信号时，梁112和驻极体120在相对于第一接地平面110和第二接地平面124基本上垂直的方向上振动。驻极体120的振动以产生ULF或VLF辐射的频率来完成。发射器设备100可使用常规的MEMS制造技术制造。梁112可以由诸如硅、氧化硅、金属以及诸如此类的任何MEMS兼容材料制成。驻极体120可以由无机驻极体材料（例如二氧化硅）或有机驻极体材料（例如聚合物）构成。驻极体是具有准永久嵌入的静电荷和/或准永久极化偶极子的电介质材料。在发射器设备100的制造期间，电驱动器122可与梁112集成。电驱动器122可被实现为静电、热电或压电驱动机构，以便生成梁振动。为了生成足够的用于通信应用的ULF/VLF信号，数百至数千的MEMS发射器设备都需要在阵列中同步地操作。图2描绘了根据一个示例性实现的ULF/VLF发射器阵列200。发射器阵列200包括多个MEMS发射器设备210，MEMS发射器设备210中的每个可以对应于发射器设备100（图1）。可以多个行和列布置发射器设备210，如图2中所示。可能难以用图1中所示的集成的电驱动器122同步地驱动诸如发射器阵列200之类的大MEMS阵列，因为存在电气布线、阻抗匹配、缺陷等的挑战。此外，设备集成驱动器的位移通常是有限的，这限制了辐射的ULF/VLF信号强度。因此，与设备水平创新一起，在本文中描述了被实现为激励ULF/VLF发射器阵列的外部振动驱动机构。图3示出了根据一个实施例的ULF/VLF发射器阵列封装300，其中振动驱动级310集成在真空封装320内。多个MEMS发射器设备330位于真空封装320的内部。发射器设备330中的每个耦合到第一接地平面332，第一接地平面332位于振动驱动级310之上。发射器设备330中的每个包括梁334，其通过锚336耦合到接地平面332，使得每个梁334在接地平面332之上延伸并与之间隔开。驻极体338被耦合到每个梁334的远端并且与接地平面332间隔开。电偏压340可以耦合到每个梁334，其中每个电偏压340与振动驱动级310电连通。与图1中的电驱动器122不同，电偏压340是可选的并且用于改变每个梁334的谐振频率。电偏压340不用于生成通过振动驱动级310完成的梁振动。第二接地平面342间隔在每个梁334的上方。振动驱动器级310可以被实现为静电或压电驱动机构，例如，以便生成梁振动。图4示出了根据另一实施例的ULF/VLF发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于生成和传输超低频（ULF）或甚低频（VLF）信号的系统，所述系统包括：布置在设备阵列中的多个微机电系统（ MEMS）发射器设备，MEMS发射器设备中的每个包括：第一接地平面；具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器，耦合到梁并被配置成在梁上生成应力；和在梁上方间隔开的第二接地平面；和振动驱动级，可操作地耦合到每个MEMS发射器设备，振动驱动级被配置成同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动；其中每个驻极体以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF或VLF信号。
【技术特征摘要】
2017.11.14 US 15/8125321.一种用于生成和传输超低频（ULF）或甚低频（VLF）信号的系统，所述系统包括：布置在设备阵列中的多个微机电系统（MEMS）发射器设备，MEMS发射器设备中的每个包括：第一接地平面；具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器，耦合到梁并被配置成在梁上生成应力；和在梁上方...
【专利技术属性】
技术研发人员：田友军，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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