一种基于振动梁的长波通信系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于振动梁的长波通信系统及其方法，所述基于振动梁的长波通信系统包括：信号发生装置，所述信号发生装置用于生成激励信号，并根据所述激励信号进行振动，以带动辐射源装置进行振动；辐射源装置，所述辐射源装置用于生成时变磁场；信号接收装置，所述信号接收装置用于感应所述时变磁场，生成感应电动势，并对所述感应电动势进行数据处理，以实现通信。本发明专利技术通过对永磁体机械天线的动力学特性进行分析，实现了利用小尺寸机械天线对低频段信号的激发，从而实现低频信号通信的可行性和有效性。可行性和有效性。可行性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振动梁的长波通信系统及其方法


[0001]本专利技术涉及机械天线
，具体涉及一种基于振动梁的长波通信系统及其方法。

技术介绍

[0002]在传统的无线通信领域中，长波通信需要匹配大尺寸信号发射天线，制约了其在中小型平台上的应用。
[0003]低频电磁波的波长较长，具有传播距离远、穿透性强和衰减慢等特点，可广泛应用于水下通信、导航和定位等领域。传统天线的尺寸取决于电磁波的波长，因此对低频天线而言，天线体积庞大，设备复杂。
[0004]目前，根据不同的电磁波激励方式，机械天线可归为三类：驻极体式、永磁体式和压电式。驻极体式机械天线的辐射强度与电荷密度息息相关，要提高驻极体表面电荷密度较困难。压电式机械天线受限于压电材料尺寸影响，且辐射面积有限。而永磁式机械天线借助于钕铁硼永磁体较高的磁剩，其辐射强度在近场范围内高于另外两种方案。
[0005]由于频率调制受外界噪声影响较小，因此，在机械天线信号调制方面，频率调制是最佳的选择。悬臂梁结构简单，模态复杂，可利用悬臂梁结构的多模态振动特性与永磁体结合，产生复杂的电磁波。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于振动梁的长波通信系统及其方法，通过对永磁体机械天线的动力学特性进行分析，实现了利用小尺寸机械天线对低频段信号的激发，从而实现低频信号通信的可行性和有效性。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种基于振动梁的长波通信系统，所述基于振动梁的长波通信系统包括：
[0009]信号发生装置，所述信号发生装置用于生成激励信号，并根据所述激励信号进行振动，以带动辐射源装置进行振动；
[0010]辐射源装置，所述辐射源装置用于生成时变磁场；
[0011]信号接收装置，所述信号接收装置用于感应所述时变磁场，生成感应电动势，并对所述感应电动势进行数据处理，以实现通信；
[0012]所述辐射源装置构造为三自由度折返梁结构且包括：
[0013]刚性连接件，所述刚性连接件竖直设置且沿其高度延伸方向上具有彼此相对设置的第一连接端和第二连接端，
[0014]第一梁部，所述第一梁部包括第一梁体，所述第一梁体垂直于所述刚性连接件的高度延伸方向设置，且包括固定端和折返部，所述固定端固定设置，所述折返部的固定面用于固定所述第一连接端；
[0015]第二梁部，所述第二梁部与所述第一梁部平行设置且包括第三连接端和自由端，所述第三连接端固定于所述第二连接端，所述自由端靠近所述固定端设置；
[0016]所述第二梁部包括平行设置的多个梁体，各梁体的自由端均设置有永磁体。
[0017]可选择地，所述第一梁体上还设置有陶瓷压电片，所述陶瓷压电片的一端与所述固定端平齐。
[0018]可选择地，所述第二梁部包括平行设置的第二梁体和第三梁体，所述第二梁体的自由端上设置有第一永磁体，所述第三梁体的自由端上设置有第二永磁体。
[0019]可选择地，所述信号发生装置包括依次连接的函数发生器、功率放大器和压电传感器，所述函数发生器用于产生激励信号的电压和频率；
[0020]所述功率放大器用于对所述激励信号的电压进行放大，得到激励电压；
[0021]所述压电传感器用于接收所述激励电压，并根据所述激励电压产生振动，以带动所述辐射源装置振动。
[0022]可选择地，所述信号接收装置包括线圈、示波器和数据处理模块，所述线圈作为信号接收端以对所述永磁体振动产生的时变磁场进行感应，生成感应电动势；
[0023]所述示波器用于接收和存储所述感应电动势，并将所述感应电动势发送至数据处理模块；
[0024]所述数据处理模块用于对所述感应电动势进行编码和解码处理，以实现通信。
[0025]本专利技术还提供一种基于振动梁的长波通信方法，所述基于振动梁的长波通信方法基于上述的基于振动梁的长波通信系统，且所述基于振动梁的长波通信方法包括：
[0026]S1：控制信号发生装置生成激励信号；
[0027]S2：对所述激励信号的电压进行放大，得到激励电压；
[0028]S3：利用压电传感器接收所述激励电压，并根据所述激励电压产生振动，以带动所述辐射源装置振动；
[0029]S4：控制所述辐射源装置根据振动生成时变磁场；
[0030]S5：根据所述时变磁场，生成感应电动势；
[0031]S6：对所述感应电动势进行数据处理，以实现通信。
[0032]可选择地，所述步骤S5包括：
[0033]S51：根据振动位移，确定磁场强度；
[0034]S52：根据所述磁场强度、线圈的匝数及其截面积，得到感应电动势。
[0035]可选择地，所述步骤S51中所述振动位移通过以下方式得到：
[0036]A1：根据所述三自由度折返梁结构，构建三自由度折返梁结构的质量矩阵和刚度矩阵；
[0037]A2：根据所述质量矩阵和所述刚度矩阵，确定三自由度折返梁结构的振动运动方程；
[0038]A3：计算当前激励电压激励下，陶瓷压电片对所述三自由度折返梁结构的等效集中力；
[0039]A4：根据所述振动运动方程和所述等效集中力，得到当前激励电压激励下的刚性连接件的振动位移以及永磁体的振动位移；
[0040]所述步骤A2中，所述三自由度折返梁结构的振动运动方程为：
[0041][0042]其中，m1表示刚性连接件的质量，m2表示第一永磁体的质量，m3表示第二永磁体的质量，c
ij
表示阻尼矩阵中的相关分量且阻尼矩阵为C＝αM+βK，M表示三自由度折返梁结构的质量矩阵，K表示三自由度折返梁结构的刚度矩阵，α、β分别是质量阻尼系数和刚度阻尼系数，y1、y2和y3分别表示刚性连接件、第一永磁体和第二永磁体在竖直方向的位移，和分别表示连接件、第一永磁体和第二永磁体在竖直方向的速度，和分别表示连接件、第一永磁体和第二永磁体在竖直方向的加速度，F(t)表示陶瓷压电片对所述三自由度折返梁结构的等效集中力；
[0043]所述步骤A3中，所述陶瓷压电片对所述三自由度折返梁结构的等效集中力F(t)为：
[0044][0045]其中，M表示陶瓷压电片产生的应变作用在第一梁体上，使得第一梁体产生的弯矩且ε表示陶瓷压电片在当前激励电压u(t)＝A
i
sin(2πf
i
t)的激励下产生的应变且Δl为陶瓷压电片变形量；l为陶瓷压电片的长度，h
p
为陶瓷压电片的厚度，d
31
表示陶瓷压电片的压电常数，A
i
表示激励电压幅值，π为圆周率，f
i
表示激励电压的频率，t表示激励时间，E1表示第一梁体的弹性模量，I1表示第一梁体的转动惯量，h1表示第一梁体的厚度，L1表示第一梁体的长度。
[0046]可选择地，所述步骤S51中，所述磁场强度B为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动梁的长波通信系统，其特征在于，所述基于振动梁的长波通信系统包括：信号发生装置，所述信号发生装置用于生成激励信号，并根据所述激励信号进行振动，以带动辐射源装置进行振动；辐射源装置，所述辐射源装置用于生成时变磁场；信号接收装置，所述信号接收装置用于感应所述时变磁场，生成感应电动势，并对所述感应电动势进行数据处理，以实现通信；所述辐射源装置构造为三自由度折返梁结构且包括：刚性连接件，所述刚性连接件竖直设置且沿其高度延伸方向上具有彼此相对设置的第一连接端和第二连接端，第一梁部，所述第一梁部包括第一梁体，所述第一梁体垂直于所述刚性连接件的高度延伸方向设置，且包括固定端和折返部，所述固定端固定设置，所述折返部的固定面用于固定所述第一连接端；第二梁部，所述第二梁部与所述第一梁部平行设置且包括第三连接端和自由端，所述第三连接端固定于所述第二连接端，所述自由端靠近所述固定端设置；所述第二梁部包括平行设置的多个梁体，各梁体的自由端均设置有永磁体。2.根据权利要求1所述的基于振动梁的长波通信系统，其特征在于，所述第一梁体上还设置有陶瓷压电片，所述陶瓷压电片的一端与所述固定端平齐。3.根据权利要求1所述的基于振动梁的长波通信系统，其特征在于，所述第二梁部包括平行设置的第二梁体和第三梁体，所述第二梁体的自由端上设置有第一永磁体，所述第三梁体的自由端上设置有第二永磁体。4.根据权利要求1所述的基于振动梁的长波通信系统，其特征在于，所述信号发生装置包括依次连接的函数发生器、功率放大器和压电传感器，所述函数发生器用于产生激励信号的电压和频率；所述功率放大器用于对所述激励信号的电压进行放大，得到激励电压；所述压电传感器用于接收所述激励电压，并根据所述激励电压产生振动，以带动所述辐射源装置振动。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的基于振动梁的长波通信系统，其特征在于，所述信号接收装置包括线圈、示波器和数据处理模块，所述线圈作为信号接收端以对所述永磁体振动产生的时变磁场进行感应，生成感应电动势；所述示波器用于接收和存储所述感应电动势，并将所述感应电动势发送至数据处理模块；所述数据处理模块用于对所述感应电动势进行编码和解码处理，以实现通信。6.一种基于振动梁的长波通信方法，其特征在于，所述基于振动梁的长波通信方法基于权利要求1
‑
5中任意一项所述的基于振动梁的长波通信系统，且所述基于振动梁的长波通信方法包括：S1：控制信号发生装置生成激励信号；S2：对所述激励信号的电压进行放大，得到激励电压；S3：利用压电传感器接收所述激励电压，并根据所述激励电压产生振动，以带动所述辐
射源装置振动；S4：控制所述辐射源装置根据振动生成时变磁场；S5：根据所述时变磁场，生成感应电动势；S6：对所述感应电动势进行数据处理，以实现通信。7.根据权利要求6所述的基于振动梁的长波通信方法，其特征在于，所述步骤S5包括：S51：根据振动位移，确定磁场强度；S52：根据所述磁场强度、线圈的匝数及其截面积，得到感应电动势。8.根据权利要求7所述的基于振动梁的长波通信方法，其特征在于，所述步骤S51中所述振动位移通过以下方式得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王积硕，袁卫锋，黄楷焱，康健炜，古斌，张苗，李宗阳，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：