一种双夹持纵振模式磁电天线及其制备方法
阅读说明：本技术 一种双夹持纵振模式磁电天线及其制备方法 (Double-clamping longitudinal vibration mode magnetoelectric antenna and preparation method thereof ) 是由 刘明 胡忠强 吴金根 周子尧 王志广 贾超 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：一种双夹持纵振模式磁电天线及其制备方法,包括压电堆、磁致伸缩材料、线圈和刚性框架；刚性框架内侧对称设置有两个压电堆,且两个压电堆的端部相对设置,两个压电堆之间设置有磁致伸缩材料,磁致伸缩材料上螺旋缠绕有线圈；压电堆由多层压电材料组成,每相邻两层压电材料之间有一层叉指电极压电材料和叉指电极粘接在一起。本发明的天线具有体积小,在高电损耗环境中近场损耗低、信号传播距离远、结构强度高的优点。(A dual-clamping longitudinal vibration mode magnetoelectric antenna and a preparation method thereof comprise a piezoelectric stack, a magnetostrictive material, a coil and a rigid frame; two piezoelectric stacks are symmetrically arranged on the inner side of the rigid frame, the end parts of the two piezoelectric stacks are arranged oppositely, a magnetostrictive material is arranged between the two piezoelectric stacks, and a coil is spirally wound on the magnetostrictive material; the piezoelectric stack is composed of a plurality of layers of piezoelectric materials, and a layer of interdigital electrode piezoelectric material is adhered to the interdigital electrode between every two adjacent layers of piezoelectric materials. The antenna has the advantages of small volume, low near-field loss in a high-power-loss environment, long signal propagation distance and high structural strength.)
技术领域
本发明属于磁电天线技术领域，特别涉及一种双夹持纵振模式磁电天线及其制备方法。
背景技术
天线是能够实现交流电能量和电磁波能量相互转换的器件，是许多电子设备的关键组件，如智能手机、射频识别系统、雷达等设备都对天线具有广泛而深远的需求。现有天线存在的主要挑战之一是其小型化。传统天线主要依赖电磁共振，天线的尺寸通常大于电磁波波长的十分之一，否则会影响信号的带宽和增益，这使得紧凑的天线以及天线阵列难以实现。另外，许多新兴的电子设备要求天线能够在水下、地底以及人体内部等电损耗较大的环境下进行通讯，而近场主要为电场的传统电学天线在这些环境中信号损耗较大，为了增强信号的穿透能力，在这些环境下常常使用超低频(ULF,300Hz至3kHz)信号，而较低的信号频率也对天线的小型化提出了更高的要求。以上的问题限制了天线在集成器件、物联网、分布式传感等新兴领域的应用，因此，增强天线在电损耗环境中的通讯能力，以及在不影响性能的前提下将天线小型化是天线发展的重要挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双夹持纵振模式磁电天线及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双夹持纵振模式磁电天线，包括压电堆、磁致伸缩材料、线圈和刚性框架；刚性框架内侧对称设置有两个压电堆，且两个压电堆的端部相对设置，两个压电堆之间设置有磁致伸缩材料，磁致伸缩材料上螺旋缠绕有线圈；
压电堆由多层压电材料组成，每相邻两层压电材料之间有一层叉指电极压电材料和叉指电极粘接在一起。
进一步的，两个压电堆相对的面上均设置有半球形端帽，磁致伸缩材料的两端均设置有锥形槽端帽，半球形端帽嵌套在锥形槽端帽内。
进一步的，多层压电材料侧面涂覆有环氧树脂，压电材料和叉指电极通过环氧树脂粘接在一起。
进一步的，刚性框架为空心矩形的刚性框架。
进一步的，压电堆横截面为直径1-20mm的圆形，或长度为1-20mm，宽度为1-20mm的长方形；每层压电材料的厚度为0.01-2mm，压电层的材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种。
进一步的，叉指电极形状为薄片状，材料为Au、Ag、Al、Cu或Pt中的一种。
进一步的，磁致伸缩材料为直径为1-20mm的圆柱体，或者横截面积小于400mm2的长方体，材料为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种；线圈为塑料外壳的绝缘线。
进一步的，半球形端帽和锥形槽端帽的尺寸应保证其切面能够完整覆盖压电堆和磁致伸缩材料的上下表面；锥形槽端帽的深度与半球形端帽的半径相同；刚性框架、锥形槽端帽为黄铜、紫铜、磷青铜、铝合金、钛合金等中的一种，半球形端帽的材料为氧化铝、氧化锆或碳化硅。
进一步的，一种双夹持纵振模式磁电天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供所需的压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，将每片压电材料的上下表面通过电镀、银浆退火方式做好银电极，并沿厚度方向极化；
步骤3，将叉指电极夹在两层压电材料之间，相邻的两层压电材料的极化方向相反，通过堆叠方式形成多层压电堆，在预紧力作用下，在压电堆侧面涂覆环氧树脂，固化后形成多层压电堆，共需制作两个这样的压电堆；
步骤4，提供所需的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料制作成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤5，在磁致伸缩材料上均匀缠绕线圈，线圈通电后用于提供偏置磁场；
步骤6，提供所需的陶瓷材料和刚性材料，分别切割成合适尺寸的两个半球形端帽与两个锥形槽端帽；
步骤7，用环氧树脂将两个半球形端帽分别粘合在每个压电堆的一个表面，将两个锥形槽端帽分别粘合在磁致伸缩材料的上下表面；
步骤8，提供一个由所需刚性材料制成的空心矩形框架，将两个压电堆上的半球形端帽分别与磁致伸缩材料两端的锥形槽端帽配合，三部分按照“压电堆-磁致伸缩材料-压电堆”的顺序连接，然后将连接体固定在框架内部。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的天线为磁电天线，利用压电/磁致伸缩耦合的磁电效应，通过磁致伸缩材料的机械振动引起周边磁通量的变化，继而激发出电磁波。与传统电学天线相比，磁电天线不受电学天线理论波长对体积的限制，克服了传统天线对尺寸的依赖性；另外，该天线的近场主要是磁场而非电场，在电损耗较大的环境中(如水下、人体等)表现出明显较小的近场损耗。该天线在保证性能的情况下实现了天线的小型化，近场主要为磁场提高了天线在高电损耗环境的通讯能力，并利用外部的刚性框架保证天线具有较高的结构强度。本发明的天线具有体积小，在高电损耗环境中近场损耗低、信号传播距离远、结构强度高的优点。
附图说明
图1是本发明的磁电天线总体结构示意图；
其中：1、压电堆；2、磁致伸缩材料；3、叉指电极；4、线圈；5、刚性框架；6、压电材料层；7、环氧树脂涂层；8、压电材料的极化方向；9、半球形端帽；10、锥形槽端帽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1，一种双夹持纵振模式磁电天线，包括压电堆1、磁致伸缩材料2、线圈4和刚性框架5；刚性框架5内侧对称设置有两个压电堆1，且两个压电堆1的端部相对设置，两个压电堆1之间设置有磁致伸缩材料2，磁致伸缩材料2上螺旋缠绕有线圈4；
压电堆1由多层压电材料6组成，每相邻两层压电材料6之间有一层叉指电极3压电材料和叉指电极3粘接在一起。
两个压电堆1相对的面上均设置有半球形端帽9，磁致伸缩材料2的两端均设置有锥形槽端帽10，半球形端帽9嵌套在锥形槽端帽10内。
多层压电材料侧面涂覆有环氧树脂7，压电材料和叉指电极3通过环氧树脂7粘接在一起。
刚性框架5为空心矩形的刚性框架。
压电堆横截面为直径1-20mm的圆形，或长度为1-20mm，宽度为1-20mm的长方形；每层压电材料的厚度为0.01-2mm，压电层的材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种。
叉指电极形状为薄片状，材料为Au、Ag、Al、Cu或Pt中的一种。
磁致伸缩材料为直径为1-20mm的圆柱体，或者横截面积小于400mm2的长方体，材料为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种；线圈为塑料外壳的绝缘线。
半球形端帽和锥形槽端帽的尺寸应保证其切面能够完整覆盖压电堆和磁致伸缩材料的上下表面；锥形槽端帽的深度与半球形端帽的半径相同；刚性框架、锥形槽端帽为黄铜、紫铜、磷青铜、铝合金、钛合金等中的一种，半球形端帽的材料为氧化铝、氧化锆或碳化硅。
一种双夹持纵振模式磁电天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供所需的压电材料，将压电材料切割成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，将每片压电材料的上下表面通过电镀、银浆退火方式做好银电极，并沿厚度方向极化；
步骤3，将叉指电极夹在两层压电材料之间，相邻的两层压电材料的极化方向相反，通过堆叠方式形成多层压电堆，在预紧力作用下，在压电堆侧面涂覆环氧树脂，固化后形成多层压电堆，共需制作两个这样的压电堆；
步骤4，提供所需的磁致伸缩材料，将磁致伸缩材料制作成需要的尺寸，并用超纯水超声清洗干净；
步骤5，在磁致伸缩材料上均匀缠绕线圈，线圈通电后用于提供偏置磁场；
步骤6，提供所需的陶瓷材料和刚性材料，分别切割成合适尺寸的两个半球形端帽与两个锥形槽端帽；
步骤7，用环氧树脂将两个半球形端帽分别粘合在每个压电堆的一个表面，将两个锥形槽端帽分别粘合在磁致伸缩材料的上下表面；
步骤8，提供一个由所需刚性材料制成的空心矩形框架，将两个压电堆上的半球形端帽分别与磁致伸缩材料两端的锥形槽端帽配合，三部分按照“压电堆-磁致伸缩材料-压电堆”的顺序连接，然后将连接体固定在框架内部。
请参阅图1所示，本发明的超低频磁电天线，包括：压电堆1、磁致伸缩材料2、叉指电极3、线圈4、刚性框架5、半球形端帽9和锥形槽端帽10。压电堆1由多层压电材料6组成，其中每相邻两层压电材料6的极化方向8相反，且中间有一层叉指电极3薄片，多层堆积后在侧面涂覆环氧树脂7固化形成压电堆1；压电堆1的上下表面均贴有半球形端帽9；磁致伸缩材料2上绕有线圈4，上下表面贴有锥形槽端帽10；压电堆1的上表面或下表面贴有一个半球形的陶瓷端帽9；磁致伸缩材料2上绕有线圈4，线圈4用于提供直流偏置磁场，上下表面均贴有锥形槽端帽10；一个空心矩形的刚性框架5用于固定压电堆1和磁致伸缩材料2；两个压电堆上的半球形端帽9分别与磁致伸缩材料2两端的锥形槽端帽10配合，三部分按照“压电堆-磁致伸缩材料-压电堆”的顺序连接并固定在刚性框架5内部。
压电堆1是由若干层压电材料构成的多层结构，横截面可以是圆形，直径1-20mm，也可以是长方形或者正方形，长度为1-20mm，宽度为1-20mm，每层压电材料的厚度为0.01-2mm，压电层6的材料可以是压电单晶或压电陶瓷，为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3或BiScO3-PbTiO3中的一种。每两层压电层6之间都有一层叉指电极3，形状为薄片状，材料选择Au、Ag、Al、Cu、Pt等导电性较好的金属或合金；
磁致伸缩材料2为圆柱体(直径为1-20mm)，或者长方体、正方体(横截面积小于400mm2)，长度可根据天线的工作频率进行调整，材料为Metglass、Tb-Dy-Fe、FeCo、FeCoB、FeGaB、NiZn铁氧体、Ni-Co铁氧体或SmFe中的一种。磁致伸缩材料2上绕有线圈4用于提供偏置磁场，线圈4可以选择漆包线、杜邦线、塑料外壳的绝缘线等，匝数根据所需偏置磁场的大小进行调整。
刚性框架5的尺寸由压电堆1的厚度与磁致伸缩材料2的长度决定，内框长度约等于“压电堆-磁致伸缩材料-压电堆”连接体的长度，内框宽度略大于连接体截面的直径或宽度，确保能够将连接体固定在框架内。半球形端帽9和锥形槽端帽10的尺寸应保证其切面能够完整覆盖压电堆1和磁致伸缩材料2的上下表面；锥形槽端帽10的深度与半球形端帽9的半径相同。刚性框架5、锥形槽端帽10应使用弹性模量比较大的抗磁性金属、合金或者工程塑料，如黄铜、紫铜、磷青铜、铝合金、钛合金等中的一种，半球形端帽9的材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅等结构陶瓷。
在此设置中，施加到两个压电堆1上的相同的电压信号会使其产生相同的动态轴向应力，两个压电堆1的一端被刚性框架5固定，另一端通过端帽压缩磁致伸缩材料2来传递机械振动；半球形端帽9和锥形槽端帽10的结合保证了压电堆1受到反作用力的方向始终是轴向，避免磁致伸缩材料2和压电堆1配合错位时压电堆1受到侧向应力而受损；在一定偏置磁场的条件下，磁致伸缩材料2的内部磁通量会发生变化，从而在天线周围的自由空间中产生电磁波信号，用以传递信息。
该天线利用逆磁电效应工作。通过叉指电极3向两个压电堆1施加一定的电压信号时，压电堆1感应到电场的变化并在其内部产生机械振动，压电堆1一端被刚性框架5固定，另一端通过端帽压缩磁致伸缩材料2，以体声波的形式将振动传递过去，在一定的偏置磁场条件下引起磁致伸缩材料2内部磁化强度的变化，并在周围自由空间中激发出电磁波，实现了信号的发射功能。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。