一种基于磁电复合材料的磁电天线

技术领域

本发明涉及但不限于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于磁电复合材料的磁电天线。

背景技术

甚低频(very-low frequency,VLF)通信在对潜、水下和地下通信以及导航、定位等领域具有巨大的应用潜力，然而基于传统电磁理论的甚低频天线长达数千乃至数十千米。基于磁电复合材料的新型天线方案是利用磁电复合材料作为换能装置，通过压电材料将电信号转换成机械能，机械能再通过磁致伸缩材料转换为变化的磁场，从而实现电磁场的辐射，与传统天线的电磁辐射方案不同，由于机械声波的波长远小于同频电磁波，以机械波激励电磁波的过程不受电流振荡空间尺寸限制、不需要阻抗匹配电路，有望实现高效小型化的低频辐射。

此外，利用MEMS工艺或半导体工艺制造，基于磁电复合材料的磁电天线的工作频率可达微波频率范围，相比于最先进的电小天线，磁电天线的尺寸能降低2个数量级。由于其小尺寸和高增益的特点，特别适合于芯片集成天线技术。能够被应用于IoT(物联网)、可植入生物芯片和RFID等领域，有望成为未来小型化磁电天线的重要发展方向。

目前，磁电天线采用分离的两块磁化方向相同的永磁体块材，分别放置在磁电天线两端，作为偏置磁场。一方面这极大地增加了磁电天线的尺寸和重量，不利于小型化与集成化，此外这种设置所施加的偏置场均匀性也较差，严重影响磁电天线性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁电复合材料的磁电天线，磁电天线的尺寸和重量得到大幅降低，也有助于天线加工的一致性。此外，均匀的磁场加载有利于磁电天线工作于更好的谐振状态。永磁膜层加载的磁电天线也有助于设计和制造微波频段的磁电天线，可用于设计芯片集成天线。

本发明的技术解决方案是：一种基于磁电复合材料的磁电天线，所述磁电天线为多层复合结构，包括压电层、磁致伸缩层、电极、永磁膜层；其中，磁致伸缩层包括第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层，分别设置在压电层上下两侧；第一电极设置在压电层与第一磁致伸缩层之间，第二电极设置在压电层和第二磁致伸缩层之间；在单侧或双侧磁致伸缩层的侧面设置永磁膜层实现偏置磁场的加载，永磁膜层采用镀膜方法实现与磁致伸缩层连接。

进一步的，所述压电层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂胶粘接形成复合结构。

进一步的，所述磁电天线采用永磁膜层实现磁电天线偏置磁场设置，偏置磁场的强度通过永磁膜层厚度或掺杂其他材料来控制。

进一步的，所述磁电天线长度方向的一端与固定件连接实现固定。

进一步的，所述电极为叉指电极或单电极。

进一步的，所述压电层的压电材料为锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料或铌酸钾钠基压电材料的一种或任意组合。

进一步的，所述磁致伸缩层的材料为Metglas、Terfenol-D、FeGa或FeCoB。

进一步的，所述永磁膜层材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钕铁硼或稀土永磁。

进一步的，所述永磁膜层磁化方向为磁电天线长度方向。

进一步的，所述磁电天线通过在磁致伸缩层上采用化学还原法、磁控溅射法或脉冲激光沉淀法实现永磁膜层的制备。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明提出的一种基于磁电复合材料的磁电天线，提出具有永磁薄膜加载的方式实现偏置磁场，既降低了磁电天线的体积、重量，利于小型化集成，又提高了偏置磁场的均匀性，有效提高了磁电天线的性能。

(2)本发明既适用于设计和制造低频磁电天线，又适用于设计和制造微波频段的磁电天线。

(3)本发明适用于芯片集成天线。

附图说明

图1为本发明磁电天线的结构图；

图2为本发明实施例磁电天线与现有技术的辐射强度对比图；

图3为本发明实施例磁电天线的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的阐述。

一种基于磁电复合材料的磁电天线，将永磁材料通过常用的膜层制备方法，诸如化学还原法、磁控溅射法、脉冲激光沉淀法等在三层磁电复合材料上制备永磁膜层，然后经定向磁化后，利用永磁膜层实现磁电天线的偏置磁场设置。

图1为本发明实施例磁电天线的结构图，如图1所示，磁电天线包括永磁膜层、磁致伸缩层、电极层和压电层1；作为发射天线时，输入的电信号加载在压电层1两侧的电极上，压电层受到电压信号驱动，压电层1产生位移振荡从而形成弹性波，弹性波传递到磁致伸缩材料中，引起磁致伸缩材料磁化状态的变化，从而实现电磁场的辐射。

其中，磁致伸缩层包括，第一磁致伸缩层2和第二磁致伸缩层3，分别设置在压电层1上下两侧；电极分布在压电层与磁致伸缩层之间，分上下两侧两个电极(即第一电极4和第二电极5)，所述压电层与磁致伸缩层通过环氧树脂胶粘接形成复合结构。在单侧或双侧磁致伸缩层外侧设置永磁膜层6实现偏置磁场的加载，永磁膜层可与磁致伸缩层紧密连接或分离放置。

所述磁电天线采用永磁膜层6实现磁电天线偏置磁场设置，偏置磁场的强度可以通过膜层厚度或掺杂其他材料来设计与控制。

所述压电层1上下表面均设置电极用于激励，电极为叉指电极或单电极。

所述压电层1压电材料为锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料或铌酸钾钠基压电材料等压电单晶材料或压电陶瓷材料的一种或任意组合。

所述磁致伸缩层的材料为Metglas、Terfenol-D、FeGa或FeCoB等。

所述永磁膜层材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钕铁硼、稀土永磁等。

所述磁电天线可用于芯片集成天线。

所述磁电天线可用作磁场测量。

所述磁电天线，可用于水下低频接收天线。

优选地，所述磁致伸缩材料为FeGa合金；

优选地，所述永磁膜层磁化方向为磁电天线长度方向；

优选地，当所述磁电天线为接收天线时，为保障接收灵敏度，磁致伸缩层的厚度只需微米级的尺寸即可；

优选地，所述磁电天线为L-T模式(压电层为厚度方向伸缩，磁致伸缩层为长度方向伸缩)。

本发明实施例中的磁电天线长度方向一端与固定件实现固定连接，从而整个天线形成悬臂梁结构。

本发明实施例中的磁电天线可在压电层的弹性波驻波点设置支撑结构。

本发明实施例中的永磁膜层与磁致伸缩层通过环氧树脂粘接剂实现紧密粘接。

本发明实施例中的永磁膜层通过在磁致伸缩层上采用诸如化学还原法、磁控溅射法、脉冲激光沉淀法等多种镀膜方法实现永磁膜层的制备。

本发明实施例中的电极层，通过SMA接头或TNC接头与收/发装置相连。

本发明实施例中的电极层，为叉指电极或完全覆盖压电层的整个电极。

本发明实施例的磁电天线与现有技术的辐射强度对比如图2所示。由图2可知，与采用分离磁铁的现有技术相比采用本发明方案的磁电天线辐射磁场强度提升了34.4％。

图3为本发明实施例磁电天线的工作示意图，图3中磁电天线既可以作为发射天线也可以作为接收天线。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。