一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统及制造方法技术方案

一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统及制造方法，包括信号发射端上位机、信号发射端下位机、功率放大器、甚低频磁电发射天线、信号接收端上位机、信号接收端下位机、甚低频磁电接收天线；甚低频磁电发射天线与甚低频接收天线结构包括压电材料、电极片、柔性电极、磁致伸缩材料、胶黏剂、接线柱、PCB板、永磁体材料、SMA接口、防水外壳。本发明专利技术的基于甚低频磁电天线的水下通信系统，首次实现了基于磁电天线的水下信号收发，与其他水下通信系统相比，具有体积小，价格低廉，无需对准和环境适应性高的优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统及制造方法


[0001]本专利技术属于水下通信系统领域，特别涉及一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统及制造方法。

技术介绍

[0002]水下无线通信因其在民用和军用领域的广泛应用，包括基站与潜艇之间的远程通信，潜水员之间的短程通信，以及自主水下航行器(AUV)、遥控航行器(ROV)和水下无线传感器网络(UWSN)的控制。实时获取和交换海洋信息的需求不断增长，对水下无线通信技术提出了更高的要求。在浅水和拥挤的水域环境下，水声通信通常存在环境噪声大、时延高、多径传播引起的强烈反射和衰减等问题，不适用于实时、宽频带的水下通信。光通信技术可以实现Gbps的超高数据速率，但是，严格的方向校准要求和易受混浊、颗粒和海洋污染的影响限制了其水下应用。而基于电磁波的水下通信，尤其是使用超低频(ULF 300
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3000Hz)或甚低频(VLF 3
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30kHz)电磁波作为水下无线通信的载体，可以克服水下电磁波的巨大衰减，对复杂环境具有良好的适应性。传统天线常用的是电短天线，其工作原理是导体内的电流震荡在空间中产生辐射电磁波。根据Chu极限，一般其天线规模尺寸与电磁波波长长度相比拟，而超低频电磁波的波长至少为1000km，若使用电短天线则会使低频载波的天线尺寸庞大。近年来，通过物理移动、旋转或振荡电荷或磁偶极矩来辐射电磁波的机械天线的概念被认为打破了Chu极限，为天线小型化开辟了新的可能途径。已经提出了两种方法，即外部机械驱动和声波波长的声学自谐振来驱动机械天线。但是外部机械驱动的天线其数据传输速率受到永磁体机械惯性的限制，而且长期运行下驱动线圈的热耗散较大，不但降低了辐射效率，还对永磁体的热稳定性提出了一定要求。相比之下，由于不需要外部电机，声学驱动天线具有更小的尺寸、更低的功耗和更高的辐射效率，目前存在两种实现思路：一种是同时使用压电材料的正、逆两种压电效应来产生辐射的压电式机械天线；另一种是利用压电材料与磁致伸缩材料相结合的磁电异质结构所具备的磁电效应来产生辐射的磁电式机械天线。压电式机械天线通过外加交变电场对压电材料施加激励,使压电材料产生随外加激励变化的形变,带动压电材料表面束缚电荷与内部偶极矩的运动,形成偶极电流,从而对外产生辐射。虽然压电式机械天线具有较高的品质因数，但是需要较高的驱动电压，且不能用作接收天线。同样基于声驱动理论，磁电式机械天线结合了压电效应与磁致伸缩效应。在发射模式下，压电层在电极所施加的激励下发生压电效应,产生与交变激励信号相同频率的振动,带动磁致伸缩层振动,从而产生磁场辐射。在接收模式下，磁致伸缩层在辐射磁场下发生磁致伸缩效应，产生与交变磁场信号相同频率的振动，带动压电层振动，从而产生电压输出。目前便携式磁电天线被认为在水下通信领域具有较大应用潜力。但由于缺乏与之相匹配的甚低频数字调制技术，以及高可靠性的封装设计，尚未见到基于磁电天线的甚低频水下通信系统。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统及制造方法，以解决上述问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，包括信号发射端上位机、信号发射端下位机、功率放大器、甚低频磁电发射天线、信号接收端上位机、信号接收端下位机和甚低频磁电接收天线；在信号发射端，信号发射端上位机对发射信号进行接收和编码，编码后的信号由信号发射端下位机进行信号调制和数模转换，再通过功率放大器进行放大，最后由甚低频磁电发射天线发射出去；在信号接收端，甚低频接收天线接收到电磁波信号后，由信号接收端下位机进行模数转换和信号降噪，降噪后的信号由信号接收端上位机解调和解码后读取信号信息；
[0006]甚低频磁电发射天线与甚低频接收天线结构相同，包括防水外壳、压电模块、磁致伸缩模块和PCB板；压电模块、磁致伸缩模块和PCB板均设置在防水外壳内部，压电模块和磁致伸缩模块设置在PCB板上方，两个磁致伸缩模块分别对称设置在压电模块两侧。
[0007]进一步的，压电模块包括压电材料、电极片和柔性电极；压电材料为长条矩形薄片结构，压电材料厚度方向相对的两个面上均设置有电极片，电极片外由柔性电极引出电极；磁致伸缩模块包括磁致伸缩材料、压电材料和胶黏剂磁致伸缩材料为长条矩形薄片结构，长度长于压电材料长度，压电材料位于两层磁致伸缩材料之间，由胶黏剂连接。
[0008]进一步的，两个柔性电极外部分别固定在两个接线柱上，两个接线柱底端分别与PCB板的导线和铜层相连；PCB板的两端分别设置有SMA接口。
[0009]进一步的，磁致伸缩模块侧面设置有永磁体材料，永磁体材料为镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。
[0010]进一步的，信号发射端上位机为计算机，包括信号接收模块和信号编码模块；信号接收模块用于接收和存储用户输入的待发送信号；信号编码模块用于将待发送信号编码为01数字信号，并通过串口、以太网通信方式传输给信号发射端下位机；信号发射端下位机为FPGA开发板、单片机或DSP开发板，包括信号调制模块和数模转换模块；信号调制模块用于将从信号发射端上位机发送来的01数字信号调制为ASK、FSK、PSK数字信号；数模转换模块用于将ASK、FSK、PSK数字信号转化为相应的模拟信号，模拟信号发送给功率放大器输入端。
[0011]进一步的，信号接收端下位机为示波器、FPGA开发板、单片机或DSP开发板，包括模数转换模块和信号降噪模块；模数转换模块用于将甚低频接收天线发送来的模拟信号转化为数字信号；信号降噪模块用于将原始信号进行滤波和放大处理，并通过串口、以太网通信方式传输给信号接收端上位机；信号接收端上位机为计算机，包括信号解调模块和信号解码模块；信号解调模块用于将信号接收端下位机发送来的调制信号解调为01数字信号；信号解码模块用于对01数字信号进行解码读取信号信息。
[0012]进一步的，压电材料为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3
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PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3
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PbTiO3、Pb(Ni,Nb)O3
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Pb(Zr,Ti)O3或BiScO3
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PbTiO3中的一种；
[0013]覆盖在压电材料厚度方向相对的两个面电极片所用的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。
[0014]进一步的，柔性电极的基底材料为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、
聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种；磁致伸缩材料是Metglas、铽镝铁合金[Terfenol
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D(Tb0.27
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0.30Dy0.73
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0.70Fe1.90
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，包括信号发射端上位机(1)、信号发射端下位机(2)、功率放大器(3)、甚低频磁电发射天线(4)、信号接收端上位机(5)、信号接收端下位机(6)和甚低频磁电接收天线(7)；在信号发射端，信号发射端上位机(1)对发射信号进行接收和编码，编码后的信号由信号发射端下位机(2)进行信号调制和数模转换，再通过功率放大器(3)进行放大，最后由甚低频磁电发射天线(4)发射出去；在信号接收端，甚低频接收天线(7)接收到电磁波信号后，由信号接收端下位机(6)进行模数转换和信号降噪，降噪后的信号由信号接收端上位机(5)解调和解码后读取信号信息；甚低频磁电发射天线(4)与甚低频接收天线(7)结构相同，包括防水外壳(17)、压电模块、磁致伸缩模块和PCB板(14)；压电模块、磁致伸缩模块和PCB板(14)均设置在防水外壳(17)内部，压电模块和磁致伸缩模块设置在PCB板(14)上方，两个磁致伸缩模块分别对称设置在压电模块两侧。2.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，压电模块包括压电材料(8)、电极片(9)和柔性电极(10)；压电材料(8)为长条矩形薄片结构，压电材料(8)厚度方向相对的两个面上均设置有电极片(9)，电极片外由柔性电极(10)引出电极；磁致伸缩模块包括磁致伸缩材料(11)、压电材料(8)和胶黏剂(12)磁致伸缩材料(11)为长条矩形薄片结构，长度长于压电材料长度，压电材料(8)位于两层磁致伸缩材料(11)之间，由胶黏剂(12)连接。3.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，两个柔性电极(10)外部分别固定在两个接线柱(13)上，两个接线柱底端分别与PCB板(14)的导线和铜层相连；PCB板(14)的两端分别设置有SMA接口(16)。4.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，磁致伸缩模块侧面设置有永磁体材料(15)，永磁体材料(15)为镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。5.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，信号发射端上位机(1)为计算机，包括信号接收模块和信号编码模块；信号接收模块用于接收和存储用户输入的待发送信号；信号编码模块用于将待发送信号编码为01数字信号，并通过串口、以太网通信方式传输给信号发射端下位机(2)；信号发射端下位机(2)为FPGA开发板、单片机或DSP开发板，包括信号调制模块和数模转换模块；信号调制模块用于将从信号发射端上位机(1)发送来的01数字信号调制为ASK、FSK、PSK数字信号；数模转换模块用于将ASK、FSK、PSK数字信号转化为相应的模拟信号，模拟信号发送给功率放大器(3)输入端。6.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，信号接收端下位机(6)为示波器、FPGA开发板、单片机或DSP开发板，包括模数转换模块和信号降噪模块；模数转换模块用于将甚低频接收天线(7)发送来的模拟信号转化为数字信号；信号降噪模块用于将原始信号进行滤波和放大处理，并通过串口、以太网通信方式传输给信号接收端上位机(5)；信号接收端上位机(5)为计算机，包括信号解调模块和信号解码模块；信号解调模块用于将信号接收端下位机(6)发送来的调制信号解调为01数字信号；信号解码模块用于对01数字信号进行解码读取信号信息。7.根据权利要求1所述的一种基于甚低频磁电天线的水下通信系统，其特征在于，压电材料(8)为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3
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PbTiO3、Pb(Zn,Nb)
O3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，胡忠强，吴金根，杜泳君，徐奕维，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：