一种切变模式机械天线结构与制备方法技术

本发明专利技术提出了一种切变模式机械天线结构与制备方法，属于机械天线技术领域。解决了现有机械天线在超低频下机电转换效率低、辐射能力弱、通信距离短的问题。该结构利用压电材料的切向应变，是压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构。压电材料为四片或者两片切变模式的压电陶瓷片，每片压电陶瓷片的上下表面粘有薄膜电极，压电陶瓷片与薄膜电极粘结的整体的一面粘接在磁致伸缩材料上下表面，其另一面采用固定约束。本发明专利技术的切变机械天线工作在非谐振状态时辐射性能，对比当前的三层结构磁电机械天线得到有效提升，为磁电机械天线在超低频率下的应用或者天线的多频段应用提供新方案，能较好解决传统层状复合磁电天线当前所面临的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种切变模式机械天线结构与制备方法


[0001]本专利技术属于机械天线
，特别是涉及一种切变模式机械天线结构与制备方法。

技术介绍

[0002]传统长波通信系统中由于天线辐射效率与物理尺寸的制约关系，天线系统存在体积庞大、功耗巨大等缺点。发展高效率的小型便携式低频通信天线成为了学术界一直以来的研究难点。2018年美国国防高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA)首次公布了机械天线的研究计划(AMEBA)。不同于传统电小天线利用高频电流振荡产生电磁辐射，机械天线通过微观或宏观上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。在DARPA提出的四种典型机械天线的设计方法中，宏观上旋转驻极体或者永磁体的方案由于其工作频率与驱动电机转速直接相关，对驱动电机要求非常高，存在信息加载困难的突出问题。而在微观上动态调制压电层中的电偶极子或者软磁材料中的磁偶极子相对来说更容易实现较高的辐射效率和信息带宽。但是磁电/压电机械天线其本质上属于一个力学谐振器，其工作频率由器件谐振频率决定。现有的三明治结构磁电机械天线其尺寸在厘米量级时多是工作在甚低频(3
‑
30kHz)，基于MEMS磁电谐振器的机械天线则工作在超高频(3
‑
30GHz)。
[0003]针对超低频(30Hz
‑
300Hz)的通信应用，现有的磁电/压电机械天线存在工作频率高且谐振频率难以降低的突出问题。而基于压电材料d33或d31模式的机械天线，在非谐振频率下，机电转换效率差，天线的辐射能力难以满足实际的应用需求。另一方面，现有的磁电/压电式机械天线，主要运用的是轴向应力对磁畴和电畴进行调制。在这种情况下，对于具有条纹畴结构的材料，磁/电畴难以实现旋转运动，从而导致调制深度不够。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种切变模式机械天线结构与制备方法，以解决现有的机械天线在超低频下机电转换效率低、辐射能力弱、通信距离短的突出问题，可应用于水下通信、跨介质通信与传感等场景。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种切变模式机械天线结构，该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构，所述压电材料在d15模式下提供切向应变驱动磁致伸缩材料，其中压电材料为四片切变模式的压电陶瓷片，每片压电陶瓷片的上下表面粘有薄膜电极，压电陶瓷片与两片薄膜电极粘结成压电芯，所述压电芯的一面粘接在磁致伸缩材料上下表面的两端，另一面采用固定约束。
[0006]一种切变模式机械天线结构，该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构，所述压电材料在d15模式下提供切向应变驱动磁致伸缩材料，其中压电材料为四片切变模式的压电陶瓷片，每片压电陶瓷片的上下表面粘有薄膜电极，压电陶瓷片与两片薄膜电极粘结成压电芯，所述压电芯的一面粘接在磁致伸缩材料上表面或者下表面，另一面采用
固定约束。
[0007]更进一步地，两片压电陶瓷片工作在d15切变模式，通过粘接面对磁致伸缩材料的上下表面产生一个相反的拉力，从而使磁致伸缩材料表现为切向应变。
[0008]更进一步地，所述切变模式机械天线结构还包括两块夹持板和夹持装置，两块夹持板分别位于压电材料的上下两侧，通过夹持装置夹紧压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构。
[0009]一种切变模式机械天线结构，该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构。天线辐射主体由压电材料和两块磁致伸缩材料粘接而成。磁致伸缩材料的另一面粘接固定于基板上。所述压电材料工作于d33模式，通过非对称的轴向应力，对磁致伸缩材料产生切变应力。
[0010]更进一步地，所述压电材料沿厚度方向极化，电场方向与极化方向平行。
[0011]更进一步地，所述磁致伸缩材料由软磁块材或者由软磁带材多层复合而成，磁致伸缩材料是Metglas、Fe
‑
Ga合金、Terfernol
‑
D合金、Fe
‑
Ni合金、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体以及Ni金属中的一种。
[0012]更进一步地，所述压电材料包括压电陶瓷和压电单晶，均沿长度方向极化，工作在d15模式，为LiNbO3、BaTiO3、Pb(Zr，Ti)O3、Pb(Mg，Nb)O3‑
PbTiO3、Pb(Zn，Nb)O3‑
PbTiO3或BiScO3‑
PbTiO3中的一种。
[0013]一种切变模式机械天线结构的制备方法，具体包括以下步骤：
[0014]步骤一、磁致伸缩材料的制备，具体操作为：
[0015]1、切取20片尺寸为高0.025mm、宽10mm、长100mm的磁致伸缩材料，使用酒精擦洗后放入烘箱烘干备用；
[0016]2、取一片磁致伸缩材料在其光滑面涂敷一层环氧树脂胶，然后使用匀胶机旋涂，保证每一片磁致伸缩材料表面的胶层厚度均匀；
[0017]3、将旋涂完成后的磁致伸缩材料逐层堆叠，最后一层磁致伸缩材料不旋涂环氧树脂胶；
[0018]4、20层磁致伸缩材料叠层完成后置于石英玻璃板上，排除各层之间多余环氧树脂胶后使用透明胶带固定；
[0019]5、将贴有磁致伸缩材料叠层的玻璃板进行密封处理后置于等静压机中，室温下静压24h等待环氧树脂胶固化即可取出；
[0020]6、重复上述步骤制备得到3片20层的磁致伸缩层后再将3片复合，最后即可得到一片厚度为2mm的磁致伸缩材料备用；
[0021]步骤二、压电材料制备，具体操作为；
[0022]1、取若干尺寸为高2mm、宽10mm、长20mm的压电陶瓷片与若干薄膜电极超声清洗后备用；
[0023]2、取两片薄膜电极在其导电一侧均匀涂敷适宜厚度的环氧树脂胶，并贴在压电陶瓷片上下表面；
[0024]3、取剩余压电陶瓷片与薄膜电极重复2的操作，若干压电陶瓷片粘贴薄膜电极完成后置于石英玻璃板上使用透明胶带固定，然后放入等静压机室温固化24h取出备用；
[0025]步骤三、磁电机械天线主体制备，具体操作为：
[0026]1、将步骤一与步骤二中制备完成的磁致伸缩材料和压电陶瓷片酒精擦洗后放入烘箱烘干备用；
[0027]2、使用环氧树脂胶将若干压电陶瓷片分别粘接在磁致伸缩材料两侧相对称位置；
[0028]3、将粘接完成后的磁电天线主体置于两石英玻璃板之间，并在室温下使用重物静压24h即可；
[0029]步骤四、夹持装置粘接与螺栓安装，具体操作为：
[0030]1、取事先加工完成的两块夹持板与制备的磁电天线主体，将粘接面酒精擦洗后烘干备用；
[0031]2、在夹持板与磁电天线主体粘接面上涂敷均匀适量环氧树脂胶；
[0032]3、夹持板与磁电天线主体粘接完成后置于两石英玻璃板之间，并在室温下使用重物静压24h；
[0033]4、待上一步环氧树脂胶固化完成后，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切变模式机械天线结构，其特征在于：该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构，所述压电材料在d15模式下提供切向应变驱动磁致伸缩材料，其中压电材料为四片切变模式的压电陶瓷片(6)，每片压电陶瓷片(6)的上下表面粘有薄膜电极(5)，压电陶瓷片(6)与两片薄膜电极(5)粘结成压电芯，所述压电芯的一面粘接在磁致伸缩材料上下表面的两端，另一面采用固定约束。2.一种切变模式机械天线结构，其特征在于：该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构，所述压电材料在d15模式下提供切向应变驱动磁致伸缩材料，其中压电材料为四片切变模式的压电陶瓷片(6)，每片压电陶瓷片(6)的上下表面粘有薄膜电极(5)，压电陶瓷片(6)与两片薄膜电极(5)粘结成压电芯，所述压电芯的一面粘接在磁致伸缩材料上表面或者下表面，另一面采用固定约束。3.根据权利要求2所述的切变模式机械天线结构，其特征在于：两片压电陶瓷片(8)通过粘接面对磁致伸缩材料的上下表面产生一个相反的拉力，从而使磁致伸缩材料表现为切向应变。4.根据权利要求1或2所述的切变模式机械天线结构，其特征在于：所述切变模式机械天线结构还包括两块夹持板(4)和夹持装置，两块夹持板(4)分别位于压电材料的上下两侧，通过夹持装置夹紧压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构。5.一种切变模式机械天线结构，其特征在于：该结构为压电材料与磁致伸缩材料的层状复合结构，天线辐射主体由压电材料和两块磁致伸缩材料粘接而成，磁致伸缩材料的另一面粘接固定于基板(9)上，所述压电材料工作于d33模式，通过非对称的轴向应力，对磁致伸缩材料产生切变应力。6.根据权利要求5所述的切变模式机械天线结构，其特征在于：所述压电梁(10)沿厚度方向极化，电场方向与极化方向平行。7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的切变模式机械天线结构，其特征在于：所述磁致伸缩材料由软磁块材或者由软磁带材多层复合而成，磁致伸缩材料是Metglas、Fe
‑
Ga合金、Terfernol
‑
D合金、Fe
‑
Ni合金、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体以及Ni金属中的一种。8.根据权利要求1、2、3、5或6所述的切变模式机械天线结构，其特征在于：所述压电材料包括压电陶瓷和压电单晶，均沿长度方向极化，工作在d15模式，为LiNbO3、BaTiO3、Pb(Zr，Ti)O3、Pb(Mg，Nb)O3‑
PbTiO3、Pb(Zn，Nb)O3‑
PbTiO3或BiScO3‑
PbTiO3中的一种。9.一种权利要求4所述的切变模式机械天线结构的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、磁致伸缩材料的制备，具体操作为：1、切取20片尺寸为高0.025mm、宽10mm、长100mm的磁致伸缩材料，使用酒精擦洗后放入烘箱烘干备用；2、取一片磁致伸缩材料在其光滑面涂敷一层环氧树脂胶，然后使用匀胶机旋涂，保证每一片磁致伸缩材料表面的胶层厚度均匀；3、将旋涂完成后的磁致伸缩材料逐层堆叠，最后一层磁致伸缩材料不旋涂环氧树脂胶；4、20层磁致伸缩材料叠层完成后置于石英玻璃板上，排除各层之间多余环氧树脂胶后使用透明胶带固定；
5、将贴有磁致伸缩材料叠层的玻璃板进行密封处理后置于等静压机中，室温下静压24h等待环氧树脂胶固化即可取出；6、重复上述步骤制备得到3片20层的磁致伸缩层后再将3...

【专利技术属性】
技术研发人员：储昭强，闵书刚，于辰圆，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：